Szemcsés anyagok csôvezetékben folyadékárammal való szállításának méretezése

Átírás

1 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY Szemcsés anyagok csôvezetékben folyadékárammal való szállításának méretezése 2. rész: A nyomásveszteség számítása FAITLI JÓZSEF Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézet ejtfaitj@uni-miskolc.hu Érkezett: Received: Design of transport of particulate materials by fluid flow in pipelines Part 2: Calculation of the pressure loss Bulk state construction materials, such as sand, gravel and the mixed concrete can be transported in pipes by fluid flow. The most important technical parameter of a transport system is the pressure loss at the designed mixture flow rate. The pressure loss determines the energy need, therefore determines the operational costs. In the previous part the fine suspension coarse mixture flow model and the two basic devices: the tube viscometer and the hydraulic test loop developed by the Institute of Raw Materials Preparation and Environmental Processing of the University of Miskolc were summarized. In this 2 nd part the empirical and mathematical method of specifying the type of mixture flow, the pressure loss calculation method and an example are shown. Dr. FAITLI József (1965) egyetemi docens, a Miskolci Egyetem Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetének oktatója ben a Miskolci Nehézipari Műszaki Egyetemen szerzett bányagépész- és villamos mérnök diplomát, amelyet követően az Eljárástechnikai Tanszéken helyezkedett el és amelynek jelenleg is oktatója. Hosszabb külföldi tanulmányutakat (Louvain-la-neuve, Belgium, Tempus ösztöndíj, 7 hónap, 1991, Chicago, USA, Fulbright ösztöndíj, 12 hónap, ) követően 1998-ban szerzett PhD oklevelet, mechanikai eljárástechnika tudományterületen. Fő oktatási és kutatási területe a többfázisú áramlások, szemcsemozgás, mintavételezés, porleválasztás, stb Tudományos publikációinak száma 75. Bevezetés A szemcsés állapotú építő anyagok, mint pl. a homok-kavics, vagy a bekevert beton szállíthatók csővezetékben folyadékáram segítségével. A szállítás legfontosabb paramétere a megválasztott keverékáramlási sebességhez tartozó nyomásveszteség, ami a szállítás energia igényét közvetlenül meghatározza. A dolgozat első részében (Építőanyag 2011/1-2) összefoglaltuk a Miskolci Egyetem, Nyersanyagelőkészítési és Környezeti Eljárástechnikai Intézetében kidolgozott finom szuszpenzió durva keverékáramlás modellt és a két alapvető kísérleti berendezést, a csőviszkozimétert és a hidraulikus szállítási mérőkört, amellyel vizsgálatokat kell végezni az adott anyaggal, konkrét méretezés esetén. A második részben a szilárd-folyadék csőáramlás jellegének a meghatározására szolgáló kísérleti és matematikai módszert, a nyomásveszteség számításának módját és egy mintapéldát mutatunk be. A keverékáramlási jelleg meghatározása a nyomásveszteség görbe matematikai elemzése alapján A korábbiakban ismertettem, hogy adott anyag esetén a finom szuszpenzió - durva keverékáramlás közötti határ szemcseméretet úgy kell meghatározni, hogy szűken osztályozott szemcsefrakciókból készített keverékek nyomásveszteség görbéit kell megmérni. A nyomásveszteség görbe alapján a következő módszer segítségével eldönthető a keverékáramlás jellege. Bevezetjük a következő mennyiséget, a φ járulékos veszteség számot, ami egy dimenzió nélküli szám, függ a keverékáramlási sebességtől és a vízhez képest a szemcsék okozta járulékos szállítási energia igény növekedéssel arányos : A tiszta víz nyomásveszteségét (Δp v ), minden mért pont esetén azonos sebességhez kell kiszámítani. A szállítási koncentráció (C T ) a mérésből ismert, így a φ = f (v), függvénykapcsolat ábrázolható. A durva keverékáramlás tipikus φ = f (v) függvénye A durva keverékáramlásra vonatkozó, már hivatkozott Durand típusú összefüggések mindegyike [12] esetén a Δp - Δp v járulékos nyomásveszteség a szállítási koncentráció első hatványával arányos. Ez azt jelenti, hogy a φ járulékos nyomásveszteség szám nem függ a koncentrációtól, azaz adott anyag különböző koncentrációjú keverékeinek a φ = f (v) függvénye azonos görbére esik és ez a görbe hiberbolikus alakú, és φ a sebesség növekedésével 0-hoz tart. A függvény alakja és egy mért példa látható a 11. ábrán. Itt egy konkrét mérés eredményeit is ábrázoltam az elméleti függvényalak mellett, ahol jellemzően 0,9 mm-es szemcseméretű erőműi salakból készített durva keverékek különböző koncentrációjú (17 42% tartományban), mért φ = f(v) értékei láthatók. A mért pontok jó közelítéssel egy görbére esnek. Habár nincs ipari jelentősége, de szélső értékként vizsgáljuk meg azt az esetet, amikor a szállított szilárd anyag sűrűsége megegyezik a vízével (ρ s = ρ v ). Ilyenkor a durva keverékáramlás φ értéke minden sebességhez 0. A finom szuszpenzióáramlás esetén ez nem így van és ez lényeges különbség. A módosított Durand egyenlet rendezése után adódik a következő összefüggés, amelyből jól látszik a φ = f(v) függvénykapcsolat hiperbolikus jellege. Az n és K anyagtól függő paramétereket ennek a függvénynek a mért adatokra való illesztésével határozhatjuk meg. (5) (6) 2 építôanyag 2012/ évf szám

2 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA 11. ábra A durva keverékáramlás φ = f(v) függvénye Fig. 11. The φ = f(v) function of coarse mixture flow Vizsgált anyag: Mátrai Erőművi salak, 2243 kg/m 3 szemcsesűrűség, 0.9 mm 80%-os szemcseméret, 53 mm-es csőátmérő. A finom szuszpenzióáramlás tipikus φ = f (v) függvénye Finom szuszpenzióáramlásban a nagyon kisméretű szemcsék a lamináris határrétegbe kerülve megváltoztatják az áramló közeg folyási viselkedését. Nagyszámú mérést végeztünk cső- és rotációs viszkoziméterben finom szemcsés anyagokból készített szuszpenziókkal. Általánosságban megállapítható, hogy finom szemcséket keverve a vízhez az így keletkező finom szuszpenzió viszkozitása a koncentráció növekedésével elkezd nőni. Egészen 20 tf% koncentrációig a folyási jelleg általában nem változik meg, a szuszpenzió is Newtoni viselkedésű, az abszolút viszkozitás kismértékben, közel lineárisan növekszik. Jellemzően 20 tf% koncentráció felett a folyási jelleg megváltozik, pl. a pernyék minden mért esetben Bingham plasztikussá váltak nem- Newtoni lesz és a szuszpenzió belső súrlódása, azaz a viszkozitás (merevségi tényező, konzisztencia index a folyási modelltől függően) exponenciálisan megnő [11]. A finom szuszpenzióáramlás φ = f(v) függvényét, elméleti úton akkor tudjuk egyszerűen meghatározni, ha a finom szuszpenzió Newtoni folyási viselkedésű és a csőáramlásra jellemző Reynolds szám a Re = tartományba esik. Ez a legfontosabb tartomány az ipari alkalmazás szempontjából, mivel a sűrű zagyos (C T 35 tf %) pernye salakszállító csővezetékekben a finom szemcsék arányának megfelelően a hordozó finom szuszpenzióáramlás koncentrációja kisebb 20 tf%-nál, ez a közeg még Newtoni folyadék. Ezen a Reynolds szám tartományon, Newtoni folyadékokra a Blasius egyenlet segítségével számíthatjuk az (f) Fanning féle csősúrlódási tényezőt. A Blasius egyenlet segítségével kifejezhetjük a finom szemcsék jelenléte miatti φ járulékos veszteség számot: (8) Az összefüggésből jól látszik, hogy a leszűkített tartományon a finom szuszpenzióáramlás φ = f(v) függvénye vízszintes (7) 12. ábra A finom szuszpenzióáramlás φ = f(v) függvénye Fig. 12. The φ = f(v) function of fine suspension flow Vizsgált anyag: Fehérvárcsúrgói üveghomok, x 80 = 25 μm, ρ S = 2644 kg/m 3, csőátmérő D = 16 mm. 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 3

3 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY egyenes, mivel φ nem függ a v-től. Az egyenes függőleges pozíciója attól függ, hogy a szemcsék miatt a finom szuszpenzió viszkozitása (μ F ) mennyire nő meg. Ha a szemcsék sűrűsége megegyezik a vízzel (határeset), a viszkozitás várhatóan akkor is megnő, φ nem 0, szemben a durva keverékáramlással. A 12. ábrán a függvény elméleti alakja és egy mért példa látható. Összefoglalva megállapíthatjuk, hogy a φ = f(v) függvény alkalmas a monodiszperz szemcséket tartalmazó szilárd-folyadék keverékek csőáramlásának a minősítésére. Ha ez a függvény hiperbolikus jellegű és nagy sebességek esetén 0-hoz tart, a csőben durva keverékáramlás, ha a függvény vízszintes egyenes (elméleti úton csak a megadott tartományon vizsgáltam), akkor finom szuszpenzióáramlás valósul meg a csőben. A finom szuszpenzióáramlás nyomásveszteségének számítása Tiszta folyadékok és a finom szuszpenzióáramlás esetén, az adott csőhosszra eső nyomásveszteséget a közeg reológiája alapán lehet számítani. Az eddigi ipari munkáim során, a következő négy folyási modell valamelyikével jellemezhető anyagokkal találkoztam, szerencsére a vizsgált anyagok nem mutattak viszkoelasztikus és időben jelentősen változó tulajdonságokat. Folyási modell neve Anyagegyenlet Folyási paraméterek Newtoni μ - abszólut viszkozitás Bingham - plasztikus Hatványfüggvénnyel jellemezhető n > 1 pszeudoplasztikus, n < 1 - dilatáló Reálplasztikus τ o nyugalmi határfeszültség η merevségi tényező K konzisztencia index m hatványkitevő τ o nyugalmi határfeszültség K konzisztencia index m hatványkitevő A PhD értekezésemben részletesen foglalkoztam a különféle reológiai modellek esetén a nyomásveszteség számításával, amelyeket a RHEOLOGY programba be is programoztam. A program segítségével a felírt folyási modellek esetén újra számoltam a csősúrlódási diagrammokat (pl. Moody diagram). Azért, hogy a dolgozat kerek egész legyen, röviden foglaljuk össze azt, amire az ipari gyakorlatban szükség van. A legbonyolultabb folyási modell a reálplasztikus, amely három folyási paramétert tartalmaz és a felírt modellek lefelé visszaegyszerűsíthetők. Ha a reálplasztikus modellben pl. az m = 1, akkor a modell visszaegyszerűsödik a Bingham folyásra, természetesen ekkor a K helyett célszerű az η merevségi tényező megnevezés. Ha a Bingham folyásban eltűnik a τ o nyugalmi határfeszültség, vissza jutottunk a Newtoni folyadékokhoz és ekkor az η helyett μ-vel jelöljük és viszkozitásnak nevezzük a jellemző folyási paramétert. A nyomásveszteség számításárára két módszer alkalmazása elegendő. Newtoni folyadékok esetén célszerű a klasszikus áramlástan alapján számítani a nyomásveszteséget, míg nem-newtoni folyadékok esetén a Hanks módszer [5] általam bevezetett iterációs megoldását alkalmazhatjuk mind a három reológiai modell esetén. A következőkben nem jelölöm az F (finom szuszpenzióáramlás) indexet, de a korábbiakból következik, hogy a tiszta folyadék, vagy a monodiszperz finom szuszpenzióáramlás vagy a széles mérettartományú polidiszperz esetben a hordozó finom szuszpenzióáramlás esetén is ugyanígy kell számítani, csak az adott anyag fizikai paramétereit kell alkalmazni. A Darcy és Weisbach [6] egyenletből számíthatjuk a nyomásveszteséget. Az egyenletben az f Fanning féle csősúrlódási tényező szerepel, a feladat ennek a meghatározása a reológiai paraméterek és az áramlás jellege (lamináris-turbulens) alapján. Newtoni közegek esetén az áramlás jellegének az eldöntésére először a Reynolds számot kell kiszámítani:, ha a Reynolds szám kisebb, mint 2320, akkor az áramlás lamináris a csősúrlódási tényező pedig:. Ha a Reynolds szám nagyobb, mint, 2320 az áramlás turbulens, akkor a Colebrook egyenlet használható a teljes csőérdesség és Reynolds szám tartományon. A nyomásveszteség számítása nem-newtoni közegek esetén (9) (10) A számítást célszerű Hanks módszerének iterációs megoldásával elvégezni. A módszer reálplasztikus folyadékokra érvényes, azonban m = 1 behelyettesítéssel Bingham plasztikus és τ o = 0 behelyettesítéssel hatványfüggvényes folyásra is alkalmazhatjuk. Ha m = 1 és τ o = 0 egyidejű behelyettesítésével végezzük a számítást, nagy pontossággal visszakapjuk a korábban ismertetett klasszikus áramlástan Newtoni folyadékokra vonatkozó értékeit. A PhD értekezésben elvégzett nagyszámú számítással ezeket ellenőriztem. Első lépésben az áramlásra jellemző két dimenzió nélküli számot kell kiszámítani, amelyek a három folyási paraméter miatt lényegesen bonyolultabbak: Reynolds szám: Hedström szám: (11) (12) Hasonlóképp a Newtoni folyadékokhoz, ez esetben is a lamináris-turbulens átmenethez tartozó határ-dimenzió nélküli számot kell kiszámítani, hogy el tudjuk dönteni a vizsgált 4 építôanyag 2012/ évf szám

4 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA csőben milyen az áramlás, mivel itt is teljesen más a számítás módja a két esetben. A hatványfüggvényes Reynolds szám lamináris-turbulens határértéke a következő egyenletből számítható: (13) x O a nem nyírt dugó (a csőáramlás belső része, ahol a feszültség kisebb, mint a nyugalmi határfeszültség ezért itt nem mozdulnak el a folyadékrétegek egymáshoz képest, kialakul a dugó), dimenzió nélküli sugara és ennek az átmenetben érvényes értéke x OC, amelyet a következő egyenletből kell iterációval kiszámítani, a Hedström szám és a reológiai paraméterek alapján. az intervallum felezéses módszert alkalmaztam. Első iterációs lépésként az alsó iterációs határ R = R C, a felső iterációs határ egy nagy szám, célszerűen R = és a közép érték a kettő átlaga. A cél az, hogy megtaláljuk azt az értéket, amikor Re PL R PL iteráció < ε, azaz az eltérés kisebb, mint az iterációs pontosság. Mindig annak az intervallumnak a felére kell léptetni az iterációs R paramétert, ahol a szélső és középső értékhez az eltérés (Re PL R PL iteráció ) előjele azonos. Az iteráció előtt célszerű R C -t és B-t kiszámítani az alábbi egyenletekből. (18) B kísérleti paraméter, amely a csőfalnak a keveredési úthosszra gyakorolt hatását veszi figyelembe. B-t a következő empirikus egyenletből számíthatjuk ki. (14) Ha Re PL < (Re PL ) C az áramlás lamináris, ha nagyobb turbulens. Lamináris tartományon először x O -t kell kiszámítani a következő két egyenletből iterációval. Nem fejezhető ki egyszerűbben a két egyenlet, ráadásul egy számítási segéd mennyiséget ψ-t is használni kell. Két egyenlet, két ismeretlen: (19) Az iteráció folyamán a korábbiakban leírt módszer szerint felvesszük R értékét. Az adott R értékhez a számítás menete az alábbi. A következő egyenletekből kiszámíthatjuk x O t, majd Φ t. (15) (16) Ha ψ ismert, akkor a csősúrlódási tényező már egyszerűen számítható a lamináris tartományon: (17) Reálplasztikus folyadékok, simafalú csőben való, turbulens áramlásának az energia igényét, azaz a nyomásesésnek a számítására Hanks a Prandtl-Van Driest féle keveredési hossz turbulencia hipotézis alapján dolgozta ki a számításra alkalmas módszert. A módszer alapján nem lehet közvetlenül a nyomásveszteséget kiszámítani adott sebességhez, hanem az R reálplasztikus turbulencia paraméter változtatásával, azaz R = R C értékről (R C a lamináris-turbulens átmenetben érvényes turbulencia paraméter) kiindulva R értékét fokozatosan növelve, minden egyes értékhez ki lehet számítani az f Fanning csősúrlódási tényezőt, azaz először a csősúrlódási tényező diagramot kell meghatározni. Abból a hagyományos módon a Reynolds és Hedström szám alapján f-et leolvasva lehet a nyomásveszteséget adott sebességhez kiszámítani. A RHEOLOGY programban a Hanks módszert a következő iterációs algoritmusba helyeztem, amellyel adott sebességhez közvetlenül ki tudjuk számítani a nyomásveszteséget. Iterálásra (20) (21) A dimenzió nélküli reálplasztikus folyási egyenlet a következőképp írható fel (22. egyenlet). A folyási egyenletben jól felismerhetők az egyes részek, az első a nyugalmi határfeszültséget, a második a viszkózus folyást, míg a harmadik a turbulencia hatását írja le. ζ(x,x o,r) a dimenzió nélküli nyírási sebesség (a sebesség gradiens osztva a fal menti sebesség gradiens értékkel). Sajnos ζ nem fejezhető ki ebből az implicit egyenletből, adott x értékhez ζ -t iterációval kell meghatározni. x a dimenzió nélküli radiális koordináta (x = 2r/D), értéke a cső középvonalánál 0, a belső nem nyírt dugó szélén x O, a cső falánál pedig 1. (22) L a módosított reálplasztikus turbulens keveredési úthossz. (23) A térfogatáramot a sebességprofil integrálása alapján lehet meghatározni, ez Hanks modelljében is megfigyelhető, bár a dimenzió nélküli mennyiségek használata miatt nehezen. Az integrálást a dugó szélétől a csőfalig kell elvégezni (x O... 1). Az integrál tényleges kiszámításánál az okoz nehézséget, hogy az 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 5

5 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY integrálban szerepel a ζ, amit nem tudunk explicit kifejezni, csak iterációval kiszámítani. A megoldás a numerikus integrálás, azaz az (x O... 1) tartományt felbontjuk N részre és minden x i értékhez kiszámítjuk az x 2 ζ függvényt, majd az integrál, vagyis a függvény alatti terület nagy pontossággal nem más, mint az így kapott téglalapok összege. (24) Az adott iterációs lépésben felvettük R értékét, amelyhez most kiszámítottunk egy Re PL iteráció értéket, ami ha az iterációs pontosságon belül megegyezik az ismert Re PL értékkel, akkor megvan a megoldás. A megtalált R érték alapján már ki tudjuk a csősúrlódási tényezőt, azaz valójában a nyomásveszteséget számítani a következő összefüggésből. A durva keverékáramlás nyomásveszteségének számítása (25) A durva keverékáramlás nyomásveszteségét a módosított Durand egyenletből számíthatjuk. Ha a szemcsés anyag monodiszperz, akkor abból egy szemcse, ha polidiszperz, de a határszemcsénél kisebb szemcséket nem tartalmaz, akkor a 80%-os szemcse alapján kell a süllyedési végsebességet és az ellenállástényezőt kiszámítani, úgy, hogy ez az egy szemcse a vízben süllyed. Ha a polidiszperz szemcsehalmaz finom szemcséket is tartalmaz, akkor a határszemcseméretnél nagyobb durva frakció 80%-os szemcséje a jellemző szemcse és az ellenállástényezőt úgy kell kiszámítani, mintha ez az egy szemcse süllyedne a finom szuszpenzióban. Megjegyezzük, hogy az n és K anyagtól függő paramétereket a félüzemi mérésekből is ezekhez a jellemző szemcsékhez kell meghatározni. A módosított Durand egyenletet erre a durva keverékáramlás a finom szuszpenzióáramlásban esetre írjuk fel, azaz az F finom szuszpenzióáramlás indexet használjuk a megfelelő helyeken a v víz, vagy f folyadék helyett. Mintapélda (26) A modell alkalmazásának a bemutatására elvégeztem egy számítást, amelyhez a szükséges adatokat egyszerűen felvesszük. A feladat legyen egy 1:1 tömegarányú homokvíz keverék, 100 mm átmérőjű és 100 m hosszú vízszintes csővezetékben megvalósuló hidraulikus szállítás nyomásesésének a kiszámítása. Tételezzük fel, hogy a vett mintán elvégeztük a fizikai anyagvizsgálatokat és megállapítottuk, hogy a homok szemcsesűrűsége ρ s = 2600 kg/m 3 (piknométeres méréssel), 30 tömeg%-ban tartalmaz 50 μm-nél finomabb szemcséket és az ennél nagyobb durva frakció 80%-os szemcsemérete x D80 = 1,9 mm (a kézi szitálással kapott empirikus eloszlás függvény alapján). Megjegyezzük, hogy a példában a finom szemcsék is 2600 kg/m 3 sűrűségű homok szemcsék. Iszapokra is alkalmazható a modell, természetesen a megfelelő tulajdonságok figyelembe vételével. A megadott tömeg koncentrációt számítsuk át térfogati koncentrációra. Az 1:1 tömegarány, 0,278:1 térfogataránynak felel meg, a szállítási térfogati koncentráció C T = 27,8%. A finom szuszpenzió-durva keverékáramlás modell szerint két részre kell a szilárd anyagot bontani, a határ szemcseméretnél ami homokra 50 μm kisebb és nagyobb, finom ill. durva frakcióra. Vegyünk 1 liter mennyiséget ebből a keverékből és a megadott adatok alapján adódik, hogy az 1 liter keverék megoszlása a következő: 0,722 liter víz, 0,0834 liter finom szemcsefrakció és 0,1946 liter durva szemcsefrakció. Ebből a finom szuszpenzióáramlás szállítási térfogati koncentrációja C TF = 10,4%, ami C TD = 19,46% szállítási térfogati koncentrációjú durva szilárd anyagot szállít. Ahhoz, hogy a tény leges számítást el tudjuk kezdeni, az adott anyagokra ismernünk kell egyrészt a finom szuszpenzióáramlás reológiáját, amit célszerű a csőviszkoziméterben, kb. 100 l mintán megmérni. Vagy esetleg rotációs viszkoziméterben 50 ml mintán, de azt inkább csak ellenőrzés céljára szoktuk elvégezni. Másrészt ismernünk kell az n és K durva keverékáramlási paramétereket, amelyeket a nagy hidraulikus mérőkörön lehet kb. 400 l mintán megmérni. Legyen a C TF = 10,4% koncentrációjú finom szuszpenzió Newtoni reológiájú, és az abszólut viszkozitás μ F = 26 mpas. K legyen 81, n pedig 3, ahogy homokokra Durand eredetileg meghatározta. A szemcsesűrűség és a koncentráció alapján a finom szuszpenzió sűrűsége ρ F = 1166 kg/m 3. Válasszuk meg az áramlás zagysebességét. Konkrét mé retezésnél ez alapvető fontosságú, mivel a durva keve rék áramlás nyomásveszteség-görbe minimum pontjánál van az energetikai minimum, de egyúttal ez már veszélyesen kis sebes ség a lerakódás szempontjából. A zagy sebessége legyen v = 3 m/s, ami elég nagy, de például hidraulikus mederkotrásoknál még nagyobbat is alkalmaznak a nagyobb kapacitás miatt. A finom szuszpenzió Newtoni folyási viselkedésű ezért a klasszikus áramlástan alapján számíthatunk, a Reynolds szám Re = 13453, az áramlás turbulens, a Fanning csősúrlódási tényező f = 0,0072, amelyet a 10. Colebrook egyenletből számítottunk iterációval, k = 0, azaz sima falú cső behelyettesítéssel. Acél csövekben a homok lecsiszolja a csövet, a simafalú csőnek van a legnagyobb ipari jelentősége. A finom szuszpenzióáramlás nyomásvesztesége a 9. Darcy egyenletből: Δp F = 1,5 bar / 100 m. Ellenőrzés céljából elvégeztük ugyanezt a számítást a RHEOLOGY programmal a közölt Hanks módszer iterációs megoldásával is, m = 1 és τ O = 0 behelyettesítésével azonos paraméterekre. A Hedst röm szám természetesen He B = 0, mi vel τ O = 0, a lamináris-turbulens határ plasztikus Reynolds szám (Re PL ) C = Európában 2320 az elterjedt lamináris-turbulens átmeneti Reynolds szám Newtoni folyadékokra, viszont az USA-ban ugyanez Az iterációval megkeresett turbulencia paraméter R = 1152, a Reynolds szám Re PL = 13453, a Fanning csősúrlódási tényező f = 0,0072, azaz a Hanks módszer által kapott eredmények pontosan megegyeznek a Newtoni folyadékokra vonatkozó számítás eredményeivel. 6 építôanyag 2012/ évf szám

6 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA Mielőtt a durva keverékáramlás nyomásveszteségét kiszámítanánk meg kell határoznunk az x D80 szemcse közeg ellenállási tényezőjét. Az x D80 = 1,9 mm méretű és ρ S = 2600 kg/m 3 sűrűségű szemcse, μ F = 26 mpas viszkozitású és ρ F = 1166 kg/m 3 sűrűségű Newtoni folyadékban süllyed a gravitációs erőtér hatására. A süllyedési végsebesség kiszámítása alapvető fontosságú a mechanikai eljárástechnikában, Newtoni közegek esetére a számítás módja megtalálható a szakirodalomban [6]. A kiszámított szemcse körüli áramlást jellemző Reynolds szám Re x = 6,55 azaz a szemcse körül a lamináris határrétegen kívül az áramlás átmeneti lamináris-turbulens, ez az átmeneti tartomány a süllyedési végsebesség v O = 0,076 m/s és az ellenállástényező C E = 5,18. A teljes nyomásveszteséget a 26. módosított Durand egyenlettel számíthatjuk: Δp = 1,84 bar / 100 m. Jelölések A B C E C T C u D (-du/dr) f g H He m K K k L m Δp r R Re Re PL v x x 0 η ζ μ ρ τ τ 0 φ Φ ψ - csőkeresztmetszet - empirikus konstans a turbulens keveredési úthossz modellben - szemcse körüli áramlásra jellemző ellenállástényező - szállítási térfogati koncentráció - helyi térfogati koncentráció - a cső belső átmérője - a nyírás sebesség gradiense - Fanning csősúrlódási tényező - gravitációs gyorsulás - magasság - reálplasztikus folyadékok Hedström száma, - konzisztencia index, hatványfüggvényes folyadékok reológiai paramétere - a durva keverékáramlásra jellemző anyagi paraméter - csőérdesség (egyenértékű a monodiszperz homok szemcseméretével, ami hasonló áramlási ellenállást fejt ki a csőben, Nikuradze kísérlet) - keveredési úthossz a turbulencia modellben - hatványkitevő, hatványfüggvényes folyadékok reológiai paramétere - áramlási nyomásveszteség - csősugár koordináta - reálplasztikus turbulencia paraméter - Reynolds szám - reálplasztikus Reynolds szám - keresztmetszeti átlagsebesség - dimenzió nélküli sugár koordináta, 2r/D - dimenzió nélküli nem nyírt dugó koordináta, τ 0 /τ w - Bingham folyadékok merevségi tényezője - dimenzió nélküli nyírási sebesség gradiens - Newtoni folyadékok abszólut viszkozitása - sűrűség - nyíró feszültség - Bingham folyadékok nyugalmi határfeszültsége - a szemcsék miatti járulékos áramlási veszteség szám - reálplasztikus turbulencia paraméter - reálplasztikus folyadékok lamináris áramlási függvénye Indexek f - folyadék v - víz s - szemcse - - szuszpenzió vagy zagy (a teljes anyagrendszer) F - finom szuszpenzió áramlás D - durva keverékáramlás C - a lamináris turbulens átmenetben érvényes érték w - a fal menti érték Felhasznált irodalom [1] Bőhm J. Debreczeni Á. Faitli J. Gombkötő I. Meggyes T.: Highconcentration hydraulic transport of tailings. In Land Contamination and Reclamation, Vol.15 Num. 2; p , ISSN: , [2] Gombkötő I. Faitli L.: Application of paste technology for tailings handling. In Proceedings of XXIV International Mineral Processing Congress, p , XXIV International Mineral Processing Congress, Beijing 2008, ISBN: /TD.1, [3] Govier, G. W. Aziz, K.: The flow of complex mixtures in pipes. Van Nostrand Reinhold, [4] Durand R. - Condolios E.: Deuxième Journèe de l hydraulique. Soc. Hyd. de France, Grenoble [5] Hanks R.W.: Low Reynolds number turbulent pipeline flow of pseudohomogeneous slurries. Hydrotransport 5, Hannover BHRA Fluid Engineering [6] Tarján I.: A mechanikai eljárástechnika alapjai. Miskolci Egyetemi Kiadó [7] Tarján I. - Debreczeni E.: A hidraulikus szállitás és hidromechanizáció vizsgálata és bányászati alkalmazása (Examination of the hydraulic transport and hydromechanization and applications in mining) Doctoral Thesis Miskolc [8] Tarján, I. Faitli, J.: The Measurement of the Transport Concentration of Suspension Flows by Pressure Measurements on Vertical Pipes. Mineral Economy Journal (Gospodarka Surowcani Mineralnymi) Tom 11 - Zeszyt 4, pp [9] Tarján I. Faitli J.: The Distinction of the Fine Suspension Flow from the Coarse Mixture Flow by Measuring of the Pressure Loss on a Horizontal Pipe. Mineral Economy Journal (Gospodarka Surowcani Mineralnymi) Volume 14 - Number 3, page [10] Wasp, E. J. Kenny, J. P. Gandhi, R. L.: Solid-liquid flow Slurry Pipeline Transportation. Trans. Techn. Publications, Clausthal, [11] Faitli J. Gombkötő I.: Flow Properties of Fine Suspensions at High Concentrations. microcad 2005, Internatonal Scientific Conference, Miskolc [12] Faitli J.: Calculation Process for the Determination of Head Loss of Steadystate Solid Liquid Mixtures Flow in Horizontal Pipelines. Ph.D. értekezés, Miskolc, pp [13] Faitli J.: Pressure Loss Calculation Model for Well-Graded Solid-Liquid Pipe Flows on the Basis of Systematic Pilot Plant Investigations. Intellectual Service for Oil and Gas Industry: Analysis, Solution, Perspectives Co-Proceedings of Ufa State Petroleum Technical University and University of Miskolc, Ufa [14] Mátrai Erőműi salak pernyék csővezetéki szállításának kísérleti vizsgálata. Műszaki szakértői tanulmányok [15] Astech pernyeminta reológiai vizsgálata. Műszaki szakértői tanulmány [16] Török pernyeminta fizikai anyagvizsgálata. Műszaki szakértői tanulmány. Miskolc Ref.: Faitli József: Szemcsés anyagok csővezetékben folyadékárammal való szállításának méretezése. 2. rész: A nyomásveszteség számítása. Építőanyag, 64. évf szám (2012), 2 7. p. 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 7

7 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY Készülékfejlesztés a hidrociklonozásban NÉMETH JENŐ Pannon Egyetem (Veszprém), Gépészmérnöki Intézet VERDES SÁNDOR Pannon Egyetem (Veszprém), Gépészmérnöki Intézet verdess@almos.vein.hu Érkezett: Received Development in hydrocyclone-construction In the paper the authors give an overview of the present situation of hydrocycloning and the tendencies in development in the field of both solid-liquid systems (suspensions) and liquid-liquid systems (emulsions). Modern constructional solutions are described. The results of international researches confirm the multiple applicability of hydrocyclones and the intensive product development. On the base of abovementioned it should be reasonable to overestimate the case of hydrocycloning recently neglected in our country. Dr. NÉMETH Jenő Gyémántdiplomás vegyipari gépészmérnök, a Pannon Egyetem címzetes egyetemi tanára, a kémiai tudomány akadémiai doktora, a Műszaki Kémiai Kutatóintézet nyugdíjas tudományos tanácsadója. VERDES Sándor A Pannon Egyetem Gépészmérnöki Intézet (PEGMI) Géptan Intézeti Tanszék egyetemi docense. Több mint 15 évet dolgozott a SZIKKTI kutató részlegén. 1. Bevezetés A ciklon konstrukcióját tekintve a legegyszerűbb folyamatos üzemű, centrifugális erőtérrel működő szeparációs készülék. A ciklonban a centrifugális erőtér a nyomás alatt, tangenciálisan bevezetett közeg-áramlás következtében jön létre. Rendszerüket tekintve a ciklonok lehetnek gázciklonok, azaz G S fázisokat tartalmazó porleválasztók és hidrociklonok, azaz L S folyadék és szilárd fázisokat, vagy L L egymásban nem oldódó folyadék-folyadék fázisokat tartalmazó rendszerek, illetve ide sorolhatók az L L S, vagy az L L G hármas fázisokat kezelő műveleti egységek is. (L folyadék, S szilárd, G gáz.) A gázciklonra /Morse, 1886/ és a kúpos kialakítású víztisztító hidrociklonra /Bretney, 1891/ vonatkozó első szabadalmak több mint száz évesek. A portalanító gázciklon alkalmazása gyor san terjedt. Ezzel szemben a L S rendszerű hidrociklonokra az ipari érdeklődés néhány kivételtől eltekintve igazából csak a II. világháború után irányult. Magyarországon is ekkor jelentek meg az első publikációk a szén és érc előkészítés áramkészülékeiről (Tarján Gusztáv), valamint az építőanyagipar (Demeter László, Bréda Gyula) és a cukoripar (Czirfusz Miklós) területéről. Tarján Gusztáv elméleti munkáira a hidrociklonban kialakuló áramlásokra és a szilárd szemcsék mozgásviszonyaira vonatkozóan még jelenleg is hivatkoznak. Következetései közül egyedül a hidrociklonok nagyobb (40 65 ) kúpszögére tett ajánlását vitatták. A hidrociklonok fejlesztési tendenciáinak tárgyalásakor erre a kérdésre még visszatérünk. Az egymásban nem oldódó folyadékokat szétválasztó L L rendszerű, elsősorban olajipari hidrociklonok alkalmazása még későbbre tehető, elterjedésük csak a múlt század hetvenesnyolcvanas éveiben vált erőteljessé. Ennek kiváltó oka az volt, hogy az olajkutakból feljövő olaj erre az időre egyre vizesebbé vált. Az Egyesült Államokban például már évi 15 billió barrel volt az olajat kísérő ún. termelt víz mennyisége. Jelenleg ez a termelt víz az olajipar legnagyobb volumenű mellékterméke. Szabadba vagy a tengerbe engedése ráadásul szigorú környezetvédelmi előírásokhoz kötött, Magyarországon például az előírt határérték mindössze 3 mg/liter! A víztelenítő hidrociklonok fejlesztésének további jelentős lökést adott a tengeri fúrótornyok egyre növekvő számú telepítése. Kiderült ugyanis, hogy a hullámzás és a szél okozta belengések miatt a hagyományos, gravitációs víztelenítők működése megbízhatatlanná vált. A nagy térfogatú, fekvő elrendezésű ülepítő tartályok elhelyezése a fúrótornyok platformjain uralkodó krónikus helyhiány miatt amúgy is problémás volt. A kis helyigényű és hatékony hidrociklonok, amelyekben a centrifugális gyorsulás a nehézségi gyorsulás értékének több százszorosa lehet, technológiailag előnyös alternatívát jelentettek a gravitációs szeparátorok kiváltására. A technológiai alkalmasság mellett az sem elhanyagolható szempont, hogy az olcsóbb hidrociklonokkal valamelyest kompenzálni lehet az olajkitermelés költségeinek növekedését. A hidrociklonok hatásosságának a növelésére, a kialakuló nyomásveszteség csökkentésére, a megfelelő szerkezeti anyag használatára és az újabb technológiai, például biotechnológiai alkalmazhatóság kikísérletezésére vonatkozó fejlesztő munka jelenleg is folyik. E széleskörű kutató-fejlesztőmunka intenzitását a négyévente megrendezett nemzetközi konferenciák jól szemléltetik, így például az 1992-ben Southamptonban rendezett IV. Hidrociklon konferencia kiadványa vagy az 1996-os Cambridge-i konferenciáról megjelent könyv [1, 2]. A dolgozat célja a hidrociklonok konstrukciós K+F munkájának rövid áttekintése és a kutatási tendenciák bemutatása. 2. A folyadék szilárd (L S) rendszerű hidrociklonok Az 1. ábrán egy tipikus hengeres-kúpos, szuszpenziót szétválasztó hidrociklon látható a fontosabb geometriai paraméterek méreteinek a feltüntetésével. A hidrociklonok esetén elterjedt gyakorlat értelmében a hengeres köpeny D c átmérője az összes többi méret viszonyítási alapja. Tarján szerint [3] a szuszpenziót szétválasztó L S rendszerű hidrociklon olyan áramkészülék, amelyben a szilárd fázis szemcseosztályozását eldöntő, mértékadó közegáramlás a cent rifugális erő irányával ellentétesen kialakuló radiális sebességkomponens. A nehezebb szemcsék az alsó kifolyásba, a könnyeb bek a felső kifolyásba kerülnek. Itt jegyezzük meg, hogy a derítő szupercentrifugákhoz hasonlóan a hidrociklonnal sem lehet teljesen éles elválasztást biztosítani [4]. Az elválasztás élességét azzal lehet fokozni, ha sorba kötött, több testes hidrociklonokat alkalmazunk. A Pörner Engineers+Contractors Plc. megbízásából Németh ezért javasolt egy háromtestes hidrocik- 8 építôanyag 2012/ évf szám

8 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA lon modult, amely egy álló és két, ehhez felül és alul vízszintesen csatlakozó hidrociklonból állt, a MOL Rt. Dunai finomító Merox üzemi lúgos előmosó rendszerének az intenzifikálására. A javaslat értelmében készült tervezői adatszolgáltatás szerint 250, 200 és 150 mm volt az egyes ciklonok átmérője. 1. ábra Tipikus hengeres-kúpos hidrociklon vázlatos rajza Fig. 1. Draft drawing of typical cylindrical-conical hydrocyclone A mozgó alkatrészeket nem tartalmazó, egyszerű konstrukciójú hidrociklonban igen bonyolult az áramkép. Kelsall [5] és Rietema [6] alapvető munkái óta még jelenleg is a legtöbb publikáció a hidrociklonban kialakuló összetett áramlás tisztázásával foglalkozik. A hidrodinamikai bonyolultságot fokozza, hogy a hidrociklonban kialakuló 3D-s örvénymozgás nem izotróp, nem tengelyszimmetrikus és a tengelyvonalban képződő légmag recessziós mozgása miatt az áramkép még időben is változik. Nagyobb szilárdanyag koncentrációnál már nem teljesülnek a szabad ülepedés feltételei. A szemcsék mozgásának és a folyadék áramlásának kölcsönhatása szintén a tisztázandó kérdések közé tartozik. A numerikus áramlástan, CFD (Computational Fluid Dynamics) segítségével [7] az utóbbi években több publikáció is megjelent az előzőkben vázolt, igen bonyolult áramkép leírására [8, 9]. A 3D-s örvénymozgás numerikus kezelésekor a turbulencia modellek validálását azonban minden esetben el kell végezni, ami viszont csak gondosan kivitelezett, korszerű méréstechnikával, például a kétsugaras LDV (Laser Doppler Velocimetrie) vagy a Műszaki Kémiai Kutató Intézetben is használt PDPA (Phase Doppler Particle Analyzer) használatával végzett kísérletek adataival lehetséges. Ígéretes, bár költséges módszer az újabban alkalmazott EIT (Electrical Impedance Tomography), vagy ERT (Electrical Resistance Tomography) módszer [10]. Az egyes szimulációs modellek érvényességét ugyanakkor behatárolja az a tény, hogy az elméleti modellek csak addig használhatók, amíg az alkalmazás paraméterei kielégítik a modell peremfeltételeit. Az előzőek alapján nem meglepő, hogy a mai napig nem ismert olyan elmélet, amely a tangenciálisan belépő és a köpeny mellett lefelé csavarodó, illetve a tengelyvonalban spirálisan felfelé mozgó szuszpenzió turbulens áramlását egységesen leírná. A már említett Rietema [6] D c = 75 mm átmérőjű hidrociklonnal végzett, nagyszámú és szisztematikusan változtatott paraméterű kísérletsorozatokkal igazolta, hogy az L S rendszerű hidrociklonok optimális méreteire a következők érvényesek: D i /D c = 0,28, D o /D c = 0,34, l/d c = 0,4, L/D c = 5, h/d c =0,75 1,0 és D o /D u = 1,33 1,66, ahol D i a tangenciális bevezetés, D o az örvénykereső cső átmérője, l az örvénykereső cső benyúlása a hengeres testbe, h a hengeres kamra hosszúsága, L a hidrociklon teljes hossza és D u az alsó kifolyás átmérője. A szerző azt is kimutatta, hogy 10 -os kúpszögű hidrociklonnal 15 20%-kal élesebb elválasztás érhető el, mint a 20 -os kúpszögű egységgel. Az osztályozóként működő hidrociklon átmérője általában D c = mm, a teljes hossza L = mm, az együttülepedés szerinti osztályozás szokásos mérettartománya μm. 300 μm-nál nagyobb szemcsék szétválasztása más típusú osztályozókkal is előnyös lehet. A betáplálás (Q i ) lineáris sebessége m/s között változik. A tapasztalat szerint az elválasztás hatékonysága nagyobb belépési sebességgel növelhető lenne, ennek azonban a hidrociklon megnövekedő nyomásesése és az esetlegesen bekövetkező erózió határt szab. A betáplálási túlnyomás rendszerint 0,35 4,2 bar közötti érték. A betáplálás szokásos szilárdanyag tartalma 10 60%. Nagy koncentrációknál az alsó kifolyás (Q u ) akadozhat. A szemcsék esernyőszerű szétporlasztása helyett a kifolyás dugószerűvé válhat, ami elakadást is okozhat. Ezt a körülményt célszerű elő-kísérletekkel tisztázni. Szükség esetén a kúpos szakaszba vezetett lazító, öblítő víz bevezetésével lehet a hidrociklon működőképességét fenntartani. A hidrociklonok Q i feldolgozási képességére és a szilárd szemcse x osztályozási (más publikációkban ennek a jelölése d 50 ), vagy a leválasztási határméretére a Fejes-Tarján tankönyv [3] közöl használható adatokat. Bradley a teljesítményképleteket elméleti és tapasztalati összefüggésekre bontva elemzi [11]. A könyv 85. ábrája a Dorr cég TM3 típusú multiciklonos egységét ábrázolja, ahol a három multiciklon toronyszerűen egymásra épül, és a közös házba foglalt, függőlegesen elrendezett 40 mm átmérőjű hidrociklonok 60, 180 vagy 300 darabszámban kerülnek beépítésre. E példa említésének az ad aktualitást, hogy az Ajkai Timföldgyárban az aluminátlúgból a kikeverő tartályokban leválasztott timföldhidrát zagyot az oltóhidrát zagytól Dorr-féle multiciklonokkal választják szét. Ha a feladásban a leválasztási határméretnél nincs (vagy csak kevés a) finomabb szemcse, akkor a hidrociklon zagysűrítőként működik. Ha a hidrociklont besűrítőként alkalmazzák, akkor az átmérője rendszerint kisebb, mint 100 mm. Finoman diszpergált szuszpenziók esetén a hidrociklon átmérője még kisebb, értéke mm. A kis átmérőjű, következésképpen kisebb teljesítményű hidrociklonokat a nagyobb feldolgozás érdekében multiciklonokba építve működtetik. A multiciklonok szerkezeti kialakítása a gyakorlatban kétféle. Az első típusnál a centrikusan elhelyezett központi elosztó tartályhoz, illetve a ciklonok Q o felső elfolyását gyűjtő edényzethez sugarasan csatlakoznak kívül a kisméretű, általában a berendezés középvonala felé kissé ferdén elrendezett hidrociklonok. A másik elrendezés a csőköteges hőcserélők felépítését követi. A köpenybe vízszintesen beépített hidrociklonok terhelése ebben az esetben kevéssé egyenletes és az eldugulás elhárítása is 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 9

9 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY munkaigényesebb, mint az előző típusnál. A különböző gyártók készülékeit Bradley a könyve 10. fejezetében részletezi [11]. Ha a hidrociklont víz helyett megfelelő sűrűségű nehézszuszpenziós fluidummal működtetik, akkor a szilárd fázis szétválasztása néhány tized mm-től mm szemcseméretig nemcsak a különböző méretű szemcsékhez tartozó különböző ülepedési sebesség alapján lehetséges, hanem a feladásban levő szilárdanyag különböző sűrűsége alapján is. Ilyen rendeltetésű hidrociklonokat alkalmaznak az ércfeldolgozásnál, ahol a fémet a meddőtől kell elválasztani [12]. Más iparágaknál is napi feladat különböző sűrűségű szennyeződések eltávolítása. Például a papíriparban ilyen feladat a papíriszapnál könnyebb és nehezebb szennyeződések eltávolítása. Ennél a technológiánál a többtestes kapcsolás honosodott meg. Az első hidrociklon felső kifolyása a tisztított iszap (pulp). Az alsó elvezetés a második lépcső betáplálása, ennek alsó kifolyása tartalmazza a nehéz szennyeződéseket, míg a harmadik hidrociklon felső elvezetésébe kerülnek a papírnál könnyebb szennyeződések. A rendszer fejlesztését szolgálja a három-termékes hidrociklon alkalmazása, amikor is a hidrociklon köpenyén képeznek ki egy D m átmérőjű elvezetést a felső könnyebb és az alsó elvezetés nehezebb terméke közötti köztes sűrűségű termék számára [13]. A három-termékes hidrociklon méretezett vázlatát mutatja a 2. ábra. Osztályozóként működtetve az egyes csőátmérők a következők: D o = 34 mm, D m = 14 mm, D u = 24 mm. Sűrítőként alkalmazva ezek a méretek a következők: D o =34 mm, D m = 6 mm és D u = 24 mm. A három-termékes hidrociklonok fejlesztésével kapcsolatos további munkáról Bednarski ad széleskörű áttekintést [1]. Természetesen kéttestes hidrociklonnal is szét lehet három terméket választani, de két készüléknek nagyobb a beruházási költsége és a két hidrociklon nyomásesése az üzemelési költséget is megnöveli. Ehhez járul még a két hidrociklonban kialakuló belső áramlások, ezen belül a megosztási hányad (Split, Q u /Q o ) szabályozási kérdése is. 2. ábra Három-termékes hidrociklon vázlatos rajza Fig. 2. Sketch of three-product hydrocyclone Újabban a szénmosásra is három-termékes hidrociklont ajánl a British Coal Corporation [1]. A LARCODEMS szeparátor kialakítása a 3. ábrán látható. A ferde elrendezésű hidrociklon hengeres kialakítású és 250 t/h osztályozatlan szén szeparálására alkalmas, miközben a szén szemcse-frakciója 0,5 100 mm közötti lehet. A hengeres rész átmérője eléri a 300 mm-t. A ferde elrendezéssel a hidrociklon hidrosztatikai nyomását lehet hatásosan csökkenteni. Ezzel együtt a betáplálási nyomás is csökkenthető. 3. ábra Három-termékes szénmosó hidrociklon vázlatos rajza 1 nyers szén betáplálás kevés folyadékkal, 2 szeparáló folyadék bevezetés, 3 mosott szén elvezetés, 4 nagysűrűségű anyag elvezetés, 5 közbenső sűrűségű anyag kilépés Fig. 3. Sketch of three-product hydrocyclone with for coal washery 1 raw material feeding with less liquid, 2 input of separating liquid, 3 outlet of washed coal, 4 outlet of high density media, 5 outlet of intermediate density product A nedves őrlésű golyósmalmokhoz elterjedten használnak zárt, körfolyamatban működő osztályozó hidrociklonokat, amelyek általában nagy méretű egységek. Az átmérő mm, a teljes magasság pedig eléri a 2,5 3 métert. Egyértelmű, hogy ferde, 45 -os elrendezés esetén számottevően csökken az alsó kifolyónyílásra ható nyomás, ami növeli az osztályozó élettartamát. A ferde elrendezés ugyanakkor %-kal növeli a d 50 értékét. Megjegyezzük, hogy a durvább szemcse leválasztás a nagy kapacitású osztályozóknál gyakran technológiailag előnyös. A hazai rudabányai pátvasérc-dúsítás évi technológiája az es években kiegészült egy golyósmalomból és hidrociklonokból álló aprító-osztályozó berendezéssel. A pátvasérc magas réztartalmát (Cu 0,10-0,15%) később flotálással csökkentették [22]. A kétlépcsős technológia első részében a barit elő-flotálását végezték, amit a második lépcsőben a barit tisztító flotálása követett. Mindkét műveleti körhöz egy aprító-osztályozó körfolyamatos rendszer tartozott, amely nedves üzemű golyósmalomból és Demeter-féle osztályozó hidrociklonból állt (D c =200 mm). A hidrociklon örvénykereső csövén kilépő anyagáramban a 200 μm-nél nagyobb szemcsék mennyisége nem haladhatta meg a 6%-ot. Az ásványelőkészítésben más területen is használt berendezés a hidrociklon [23]. A hidrociklon ferde elrendezésével kapcsolatban figyelmet érdemel Asomah és Napier-Munn dolgozata [2], amelyben a 4. ábra szerinti módon, a hagyományos függőleges és a 135 ferdeségű tartományban végzett összehasonlító kísérletekről számoltak be. A kísérletekhez két Krebs gyártmányú hidrociklont használtak 508 és 101,6 mm átmérővel. A hengeres rész hossza értelem szerint 770 mm és 247,7 mm volt. A kúpszögek pedig 20 és 12 értékűek. A rézérc koncentrációja a betáplálásban 22 72% között változott. A ferdeség változtatásakor a hidrociklonok nyomásveszteségét 60 és 120 kpa nyomáson állandó értékeken tartották. Az üzemi próbák azt igazolták, hogy a ferde elrendezés befolyásolta a szétválasztás teljesítményét, a nagyobb egységnél jobban, mint a kisebbnél. A d 50 értéke nőtt, például 30 μm-ről 45 μm-re. Az alsó kifolyás sűrűsége és víz- 10 építôanyag 2012/ évf szám

10 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA tartalma is nőtt. Az említett hatások a 45 ferdeségig alig jelentkeztek, a nagyobb ferdeségeknél enyhe lineáris növekedés volt megfigyelhető. 4. ábra Ferdén elhelyezhető kísérleti hidrociklon vázlatos rajza Fig. 4. Test hydrocyclone with position changing possibility A hidrociklon konstrukciójára vonatkozó újabb vizsgálatok alapján igazoltnak tekinthető, hogy szögletes, például téglalap keresztmetszetű tangenciális bevezetés esetén nagyobb a hidrociklon hatékonysága, mint amikor a bevezetés kör keresztmetszetű, valamint az, hogy az evolvens kialakítású betáplálás költségesebb konstrukció ugyan, de kedvezőbb, mint az egyszerű tangenciális csatlakozás. Ha az örvénykereső csőhöz, vagy az alsó kifolyáshoz könyökök és további csővezetékek csatlakoznak, akkor ellenőrizni kell a hidrociklon elfolyásai között kialakuló nyomásviszonyokat, mert ez befolyásolja a split-nek nevezett, S = Q u /Q o megosztási hányad értékét. Jelenlegi ismereteink szerint az S optimális értékét előkísérletekkel célszerű tisztázni. A tervezés során külön elemezni kell, hogy a megosztási hányad szabályozását lehetővé tevő szerelvényekkel nem sérül-e a megbízható üzemvitel, és ezek nyomásveszteségével járó energianövekedésnek mi a gazdasági kihatása. A legújabb konstrukciós fejlesztő munkát egyrészt a hibrid eljárások alkalmazási lehetőségének a vizsgálata jellemzi, másrészt a számítógépes modellezés és a kísérleti munka ötvözete. A hibrid eljárásra példa az elektromos hidrociklon vizsgálata. Japán kutatók [14] 2 μm medián átmérőjű igen finom szilícium szeparálására fejlesztették ki az új elektromos hidrociklont, ugya nis a hagyományos hidrociklonban kialakuló centrifugális erőtérrel a 4 5 μm-nél kisebb szemcsék osztályozása gyakorlatilag nem kivitelezhető. Megjegyezzük, hogy a Brown-féle mozgás a 0,1 1 μm-es szemcséknél kezd jelentkezni. A szerzők a 20 mm átmérőjű hidrociklon kúpos részébe centrikusan egy negatív elektródot építettek be. Az egyenáramú generátor feszültségét 100 V-ig lehetett szabályozni. A betáplált szuszpenzió koncentrációja 0,1 2 m/m% között változott. A szerzők azt tapasztalták, hogy az osztályozás hatékonyságának a növeléséhez legalább 40 V feszültségre volt szükség. Ugyanakkor a d 50 leválasztási szemcseméret csak az 1,5 m/m%-nál kisebb betáplálási koncentrációk esetén csökkent. Nagyobb koncentrációk esetén a d 50 értéke is nőtt. A korszerű konstrukciós fejlesztés másik iránya a numerikus áramlástan modelljei segítségével történik. Az Utah-i egyetem kutatói [15] azt vizsgálták, hogy az ásványfedolgozás zárt-körű nedves őrlésénél évtizedek óta használt hengeres-kúpos, úgynevezett standard hidrociklon [16] hatásosságát hogy lehet növelni a készüléktest módosításával. Hatféle változatot (l. az 5. ábrát) modelleztek. A hidrociklonok átmérője egységesen 75 mm volt. A 3D-s turbulencia modell egyenleteinek a megol dásához a Fluent TM 6.0 programot használták. Azt találták, hogy az (a) és (b) változat nem volt jobb, mint a standard alaptípus. A (d) és (e) változatok szétválasztási hatékonysága kb. azonos volt a standard típussal, míg a (c) és az (f) esetén a szeparáció élesebb volt. A számított javulás egyrészt azért következett be, mert csökkent az örvénykereső cső melletti ún. rövidre zárás hatása, másrészt a készülék alján kialakuló erősebb spirálmozgás miatt kevesebb finom szemcse csúszott le a köpeny mellett az alsó lefolyásba, ellenkezőleg, a felfelé irányuló szekunder spiráláramlásba kerültek. Az előzők alapján a hat változat helyett csak e két utóbbi konstrukciót kell üzemileg tesztelni. A CFD módszer és a kísérleti munka vázolt ötvözete jelentős idő- és költség csökkentést jelent. Megjegyezzük, hogy a nem-newtoni biológiai közegek hidrociklonos kísérletei alapján ugyancsak a (c) és (f) típusú készülékekkel értek el pozitív eredményeket [2]. 5. ábra Lehetséges hidrociklon kialakítások Fig. 5. Possible hydrocyclone forms Az előzővel hasonló jellegű Wang szimulációs munkája [17] is, aki az örvénykereső csőre vonatkozó számos egyéb variáció mellett a 6. ábra szerinti terelő-kúpos örvénykereső cső konstrukcióját találta kedvezőnek a nyomásesés csökkentésére, az áramlás S megosztási hányadára, a szemcsemozgás trajektóriáira és az elválasztás élességére. Az elvégzett kísérletek igazolták, hogy az ábra szerinti örvénykereső csőnél az elválasztást rontó, ún. rövidre-zárási hatás, amely a betáplálás és az örvénykereső cső között jelentkezhet, a terelő kúp miatt ténylegesen csökkent, és ezzel javult az elválasztás élessége. 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 11

11 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY 6. ábra Az örvénykereső cső módosított kiviteli vázlata Fig. 6. Drawing of the modified vortex finder tube 3. A folyadék folyadék (L L) rendszerű hidrociklonok Az egymásban nem oldódó folyadékok, azaz az L L rendszerű hidrociklonokra a folyadék szilárd fázisú hidrociklonokra tett előző megállapítások, így pl. a készüléktest optimális geometriai méreteire, közvetlenül nem alkalmazhatóak. Ennek egyrészt az az oka, hogy a szétválasztás hajtóerejéül szolgáló sű rű ségkülönbség a folyadékok között egy nagyságrenddel kisebb, mint az L S fázisú rendszereknél. Másrészt, a folytonos fázisban diszpergált folyadék cseppek, ellentétben a szilárd fázis szemcséivel, a 3D-s turbulens áramlásban fellépő nagy, m/s nagyságú tangenciális sebességek miatt töredeznek, méretük nem marad állandó. Előfordul, hogy a cseppek nemcsak aprózódnak, hanem esetenként nagyobbakká koagulálnak. Következésképpen a diszpergált folyadék cseppeloszlása nem állandó a hidrociklonozás során, ellentétben a szilárd fázis szemcseeloszlásával. Fontos következtetéseket vontak le a Braunschweigi Egyetem kutatói az orsóolaj-víz emulzióval végzett vizsgálatokból is, amelyhez egy 50 mm átmérőjű és 14 kúpszögű hidrociklont használtak. A méréseket 60 C-on végezték. Változó belépési sebességnél mérték a Q 0 és Q u kilépő térfogatáramokat és az ezekhez tartozó ε 0 és ε u szétválasztási tényezőket. Megállapították, hogy egyidejűleg csak az egyik folyadék komponens nyerhető ki tisztán. Függetlenül attól, hogy a könnyű vagy a nehéz folyadék volt a diszperz fázis, például olaj a 83% vízben, vagy víz a 90% olajban, a szétválasztás jellege hasonló volt. Kimutatták, hogy a megosztási hányad erősen függ a hidrociklon nyomásveszteségétől, és ezen keresztül a készülék konstrukciós kialakításától. Megállapították, hogy a belépési sebesség növelésével nem nőttek folytonosan az elválasztási tényezők, hanem egy kritikus érték után csökkentek. Víztelenítés esetén ez az érték max. 6 m/s volt 10% víztartalom esetén (nagyobb víztartalomhoz kisebb optimális érték tartozott). Olajtalanítás esetén a kritikus érték 4,5 m/s volt, függetlenül a koncentrációtól. Nagyobb sebességeknél elválasztás helyett, meglepetésre, emulgeálás következett be. A hidrociklon optimális olajtalanítási térfogat teljesítménye ezzel az értékkel 1,4 m 3 /h volt. A különböző kritikus sebességek miatt különböző geometriai méretekkel rendelkeznek a hidrociklonok aszerint, hogy olajtalanítás vagy víztelenítés a szeparálás műveleti célja. Megjegyezzük, hogy ez a jelenség, miszerint az L L rendszerű hidrociklonoknál a betáplálási sebességnek optimuma van, új megállapítás, mert az L S rendszerűeknél ez nem tapasztalható. A kétféle rendszer összevetéséből az is kitűnik, hogy az L L rendszerű hidrociklonok betáplálási sebessége lényegesen kisebb, mint az L S rendszerű hidrociklonoknál alkalmazott értékek. Következésképpen egységteljesítményük is kisebb. Azért, hogy a kisebb sebesség miatt a centrifugális erőtér ne csökkenjen, a folyadék-folyadék szeparációs hidrociklonok kis átmérővel készülnek. Ezért koncentrálódik az L L rendszerű hidrociklonok méreteire vonatkozó fejlesztés jelenleg az ún. mini-hidrociklonokra. A D c = mm átmérőjű egységek, esetenként százas nagyságrendben, multiciklonokba kerülnek beépítésre, hogy a párhuzamos kapcsolással biztosítsák a telep nagyobb teljesítményét. A multiciklonok kialakítása a csőköteges hőcserélők mintájára rendszerint fekvő kivitelű, egy beömlésű és az igényeknek megfelelően nyomásálló kivitelű berendezés. A mini-hidrociklonoknál a szűk rádiusz-tartomány miatt elég telen lehet a tangenciális bevezetés realizálódása a centrifugális erőtér kialakítására. Ilyen esetekben jelenthet megoldást az örvénykereső cső és a ciklon hengeres fala közé épített gyűrű alakú, ferde, vagy ívelt lapátozású, álló keréktárcsa. A centriklonnak is nevezett hidrociklonban a tárcsa hat, vagy nyolc lapátja nemcsak a bevezetett közeg perdületét fokozza, hanem intenzifikálja az axiális irányú sebességet is. Az L L rendszerű hidrociklonok leválasztási hatásossága függ a hőmérséklettől is. Az arányosság fordított. A hatékony ság nő, ha a hőmérséklet csökken. A hőmérséklet csökkenésekor nő a diszperz és a folytonos fázis viszkozitása, a vízé jobban, mint az olajé. Ha nagyobb a viszkozitás, akkor csökken a cseppek aprózódási hajlama, ami előnyös az elválasztás szempontjából. A hidrociklonok tengelyvonalában kialakuló ún. légmagot sokan vizsgálták, de a jelenség precíz magyarázata még jelenleg is hiányzik. Tisztázatlan például, hogy miért hullámos a légmag folyadékkal érintkező felülete, vagy mi befolyásolja a légmag recessziós mozgását. A légmag kialakulásáról és jellegéről a következők ismertek: A légmag minden esetben kialakul, ha akár a felső, akár az alsó kifolyás érintkezik a légkörrel. Az áramlástani vizsgálatok szerint, lásd pl. az [5, 6, 10] irodalmakat, a hidrociklon tengelyének a közelében akkorára nőhet az áramlás tangenciális sebessége, amihez a Bernoulli egyenlet értelmében fellépő nyomáscsökkenés már vákuumot eredményez. Ennek mértéke néhány száz vízoszlop mm-től vomm-ig terjedhet. A szabadból ez a vákuum szívja be a légmagba a levegőt. Ha a kifolyások zárt tartályokba történnek, az általános vélemény szerint akkor is kialakul légmag a hidrociklonban, mert ekkor a folyadékból felszabaduló gőz vagy gáz tölti ki a légmagot, amelynek az átmérője 0,06 D c -től 0,33 D c -ig változhat. A nagyobb érték a nagyobb tangenciális sebességekhez tartozik. A légmag összeeshet, ha a tangenciális sebesség erősen lecsökken. A légmag kialakulásához egy minimális belépési sebesség és minimális kezdeti nyomás szükséges. Hagyományos kialakítású hidrociklonokban ez utóbbi értéke kb. 0,15 bar. Ha a légmag nagy átmérővel alakul ki, akkor előfordulhat, hogy az átmérője nagyobb lesz, mint az alsó kifolyónyílás átmérője. Ilyenkor megszűnhet az alsó kivezetés. Tiszta víz esetén ez az állapot ténylegesen megfigyelhető. 12 építôanyag 2012/ évf szám

12 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA A légmag lengése és recessziós mozgása nyomásingadozásokat generál, ami kihat az áramlás radiális sebességére. Ez viszont hátrányosan befolyásolja a hidrociklon hatásosságát. A konstrukciós fejlesztések egy része ezért az áramlást stabilizáló szerkezeti megoldásokra irányul. A Southampton-i egyetem kutatói [20] az alsó kifolyónyíláshoz a nyílás átmérőjével azonos átmérőjű, de (9 13,5)D c mm hosszú, ún, stabilizáló csövet csatlakoztattak, amivel sike resen csillapították az áramlás instabilitását. További megoldásokat tüntet fel a következő két ábra. A 7. ábrán egy keresztszárnyas betétdarab csillapítja a hidrociklonban a nyomásfluktuációt [10]. A 8. ábrán viszont egy perforált hengeres-kúpos betéttel lehetett a hidrociklon elválasztási hatásosságát növelni [10]. A perforált betét részben módosította a belső örvény kialakulását, részben torlasztó hatást fejtett ki a tengelyvonal felé irányuló radiális sebességre azzal, hogy erősítette a hidrociklon kúpos része felé az axiális áramlást. A tapasztalat szerint a nem elegyedő folyadékok bevezetésére nem egy, hanem két, átellenesen kiképzett tangenciális csövet célszerű alkalmazni. 8. ábra Perforált kosár alakú betétmag Fig. 8. Perforated basket-shape core 7. ábra Keresztszárnyas csillapító betétmag Fig. 7. Winged central core to lower pressure fluctuation Az L L rendszerű hidrociklonok internetes irodalomfigyelése alapján a készüléktest méreteire vonatkozóan a következő megállapítások tehetők: A D i /D c arány itt is 0,28 érték, azaz ugyanaz, mint az L S rendszerű hidrociklonoknál. Az örvénykereső cső benyúlására az l/d c = 0,33 0,4 értékek az ajánlottak, míg a kisebb nyomásveszteség elérése miatt kissé rövidebb a hengeres szakasz, azaz h/d c < 1. A víztelenítő hidrociklonoknál D o /D c = 0,13, míg az olajtalanítóknál ez az érték 0,04. Az alsó ürítő nyílásra D u /D c = 0,18 0,26 arány az ajánlott. A kereskedelemben kapható olajtalanító hidrociklonok átmérője rendszerint mm. A készülékleírás szerint ezek az egységek üzemszerűen a 30 μm méretű olajcseppek 98%-át képesek leválasztani. A víztelenítő hidrociklonok kúpszöge között változik. Az olajtalanító hidrociklonok karcsúbbak, ezeknél a típusoknál a kúpszög intervalluma 2 és 10 közötti érték. Bradley [11] a hidrociklon tervezési változói között a geometriai méretek mellett a szerkezeti anyagokat is felsorolta. A megfelelő szerkezeti anyag kiválasztása az L S rendszerű hidrociklonoknál fellépő eróziós hatás miatt igényel kiemelt figyelmet. A gumi (főleg lágy gumi 12 vagy 25 mm vastagsággal), esetleg szilikon-karbid bélelésű hidrociklonok mellett a foszforbronzból, a titánból, vagy porcelánból készült típusok is megjelentek a különböző gyártmánylistákon, sőt újabban műanyagból, üvegszálas műanyagból, fém-kerámia, illetve polimer kompozitból készült hidrociklonok közül lehet választani. Ha a Mohs skálán 5 -nál keményebb anyag a szuszpenzió szilárd fázisa, akkor a porcelán hidrociklon élettartama kb óra, míg a többié 400 óra körüli érték. Esetenként érdemes az eróziónak erősen kitett alsó kifolyónyílást cserélhető csomópontként kialakítani. Az L L rendszerű hidrociklonoknál a készülék fala és a nehezebb folyadék közötti nedvesítési szög lehet a kiválasztást segítő paraméter. Ismert, hogy az illeszkedési, vagy kontakt szög vízre saválló acélnál 46, víz/teflon kapcsolatnál 91, míg dízelolaj/saválló acélnál 2, dízelolaj/teflon esetén pedig átlagban 39. Perspexnél ezek az értékek 72 és 5 értelem szerint. A szerkezeti anyag és a hidrociklon hatásossága közötti kapcsolatot Listewnik vizsgálta [2]. A szerző megállapította, hogy víz/olaj rendszernél, egyébként azonos feltételek mellett, 6 m 3 /h kapacitás esetén a saválló acélból készült hidrociklonnak a legkisebb (kb. 65%) a hatékonysága, míg ha teflon a szerkezeti anyag, akkor a hatékonyság a legnagyobb, közel 80% m 3 /h kapacitásoknál azonban mind a három előbb említett szerkezeti anyag esetén egységesen 90 95% volt a maximális szétválasztási hatékonyság. A kísérleteknek az adott aktualitást, hogy Lengyelországban a múlt század nyolcvanas éveitől kezdve a hajókon keletkező ún. olajos hajóvíz olajtalanítását végző tisztítási rendszerhez az olajtalanító hidrociklonok már szervesen hozzátartoznak. 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 13

13 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY Az L L rendszerű hidrociklonok különleges konstrukciós fej lesztései közül a szűréssel kombinált hidrociklont és a hengeres kialakítású hidrociklonokat lehet kiemelni. A szűrési lehetőséggel kombinált ciklon tulajdonképpen az L L S rendszerek kezelésére alkalmas speciális, három-termékelvételes kialakítás. A hidrociklon kúpos alsó része dupla falú, a belső fal a perforált szűrőfelület és az ezen átfolyó szűrlet a közbenső termék. A hidrociklon szétválasztó képessége a szűrlet miatt természetesen megnőtt, ugyanakkor nem várt módon a hidrociklon nyomásesése lecsökkent. A 9. ábrán látható hidrociklon mikroszűrővel kombinált hengeres konstrukció. A ciklon hagyományos hengeres szakaszához a kúpos alsó rész helyett egy további hengeres rész csatlakozik, amelynek fala a keramikus TiO 2 mikroszűrő membrán, 1,4 μm-es pórus átmérővel. szerint a működési elv hasonló, de a konstrukció egy készüléken belül is lehetővé teszi a két fázis szétválasztását. Látható, hogy a vegyes fázis az örvénykereső cső és a vele koncentrikus második cső közötti térből távozik tangenciálisan. A könnyű fázis ez esetben is alul, középen távozik. Mindkét kialakításnál előnyt jelent a hengeres-kúpos hidrociklonok felső tangenciális bevezetése és a centrikus felső elvezetés között kialakuló, ún. rövidre zárási veszteség elmaradása, valamint az, hogy a hengeres rész hosszának a növelésével egyszerűen növelhető a tartózkodási idő és ezzel az elválasztás hatékonysága. 9. ábra Mikroszűrővel kombinált hidrociklon vázlatos rajza 1 bevezetés, 2 felső kifolyás, 3 permeát, 4 porózus mikroszűrő, 5 örvénykereső cső, 6 hidrociklon átmérő Fig. 9. Hydrocyclone combined with micro-filter 1 feeding, 2 upper outflow, 3 permeat, 4 porous micro-filter, 5 vortex finder, 6 hyrocyclone diameter A permeát fluxusát 20 kpa nyomás biztosította. A 0,024 m/m%-os olaj/vízzel végzett kísérletek szerint a mikroszűrőn keresztirányban átáramló víz, mint alsó átfolyás, volt a tisztított termék. A víz térfogatárama a szűrő időben növekvő ellenállása miatt némileg csökkent, de a víz olaj koncentrációja a teljes szűrési idő alatt végig kisebb volt, mint 20 mg/liter. A hidrociklon felső részének geometriai méretei a Rietema szerin ti optimális méretarányokat követték [21]. A hagyományos hengeres-kúpos hidrociklonokban a külső fal mellett lefelé csavarodó, majd a tengelyvonalban spirálisan felfelé áramló rendszer által generált 3D-s turbulencia az emulzió szempontjából sem kedvező. Ezért már a múlt század hatvanas éveiben felvetődött az egyirányú áramlást és ezáltal a kiszámíthatóbb ülepedési feltételeket lehetővé tevő hengeres hidrociklonok alkalmazásának a gondolata [18]. A 10. ábra két megoldási elvet szemléltet. A baloldali vázlat szerint a szétválasztandó emulzió felül lép be tangenciálisan a hengeres testbe. A könnyű fázis az alul axiálisan beépített örvénykereső csövön keresztül távozik, míg a vízben dús vegyes fázis az alul levő tangenciális csövön keresztül lép ki a hengeres testből. A lefelé csavarodó áramlásban a két fázis határfelülete sokkal egyértelműbben kialakult, mint a hagyományos hidrociklonban, ezért az elválasztás is élesebb lehet. A jobboldali vázlat 10. ábra Hengeres hidrociklon vázlatos rajzai Fig. 10. Draft drawing of cylindrical hydrocyclone Az ismertetett hengeres hidrociklon végső soron a centrifugális erőterű hagyományos ciklon és a gravitációs ülepítő kombinációja. Svéd kutatók a közelmúltban már a hengeres hidrociklon numerikus modellezéséről számoltak be [9]. Az általuk vizsgált hidrociklon a 10. ábrával ellentétben megfordítva működött, azaz a szétválasztandó közeg alul lépett be tangenciálisan kialakított furatokon keresztül a hengeres testbe, míg az elvezetések, mind a tangenciális kifolyás, mind az örvénykereső cső, felül helyezkedtek el. A 120 -ban kialakított három darab 10 mm átmérőjű furattal a bevezetett közegnek nagy perdületet lehetett biztosítani a 80 mm átmérőjű és 485 mm magas hengeres testben. Hasonlóan nagy perdületet a hagyományos hidrociklonokban csak külön perdületet fokozó betételemekkel lehetett elérni. 4. Összefoglalás A gáztisztító ciklonokkal szemben a hidrociklonok hazai elterjedése indokolatlanul kismérvű. A mellőzést nem indokolja sem a technológiai alkalmazhatóság sokrétűsége, legyen a műveleti cél akár a szuszpenziók szétválasztása, a szuszpendált szemcsék osztályozása, vagy akár az egymásban nem oldódó folyadékok, például az olaj-víz rendszerek szeparálása. Gyártástechnológiailag sem indokolt a mellőzés, mert a hidrociklon konstrukciója egyszerű, szinte bármilyen szerkezeti anyagból elkészíthető, ráadásul mozgó alkatrészeket sem tartalmaz. 14 építôanyag 2012/ évf szám

14 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA A dolgozatban a hidrociklonok áramlási viszonyainak a rövid bemutatása mellett a szerzők figyelem felkeltési céllal felvázolták a fejlesztési tendenciákat, mind a folyadék-szilárd, mind a folyadék-folyadék rendszerű hidrociklonok területén, illetve ismertették a korszerű konstrukciós kialakításokat. Érdemes megjegyezni, hogy a korábban előre jelzett tendenciáknak szin te az ellenkezője is megvalósult az utóbbi időkben. Például a kúpszög növelés helyett az egyre kisebb szög dominál, illetve megjelenik a két hengeres kialakítás. A hidrociklonok egyre több területen való gazdaságos alkalmazhatóságát a legújabb publikációk igazolják, ezért indokolt lenne a hazai hidrociklonozás K+F munkájának a jelentős szélesítése. Felhasznált irodalom [1] Svarovsky, L. Thew, M. T.: Hydrocyclones, Dordrecht, Kluwer Acad. Publ [2] Clayton, D. Svarovsky, L. Thew, M. T.: Hydrocyclones 96, London, Mech.Eng.Publ.Ltd [3] Fejes G. Tarján G.: Vegyipari gépek és műveletek, Budapest, Tankönyvkiadó, [4] Horányi R. Németh J.: Investigation of the performance of a clarifier tube centrifuge, Acta Chimica Sci. Hung., Tomus 71 (4),1972, pp [5] Kelsall, D. F.: A study of the motion of solid particles in a hydraulic cyclone, Trans. Inst. Chem Engrs. Vol. 30, 1952, pp [6] Rietema, K.: Performance and design of hydrocyclones, I-IV. Chem. Eng. Sci. Vol. 15, 1961, pp [7] Lajos T.: Az áramlástan alapjai, Budapest, Műegyetem Kiadó, 2004, pp [8] Chen, W. Zydek, N. Parma, F.: Evaluation of hydrocyclone models, Chem. Eng. J. Vol. 80, 2000, pp.295-3o3. [9] Ko, J. Zahrai, S. Machion, O.: Numerical modeling of highly swirling flows in a hydrocyclone, AIChE Journal, Vol. 52, 2006, pp [10] Bergstöm, J. Vomhoff, H.: Experimental hydrocyclone flow field studies, Separation and Purification Technology, Vol.53, 2007, pp [11] Bradely, D.: The Hydrocyclone, Oxford, Pergamon Press, [12] Mainza, A. Powell, M. S. Knopjes, B.: Differential classification of dense material in a three-product cyclone, Mineral Engineering, Vol.17, 2004, pp [13] Ahmed, M. M. Ibrahim, G. A. Farghaly, M. G.: Performance of a threeproduct hydrocyclone, Int. J. of Mineral Process. Vol. 91, 2009, pp [14] Nenu, R. K. T. Yoshida, H. Fukui, K. Yamamoto, T.: Separation performance of submicron silica particles by electrical hydocyclone, Powder Techn. Vol. 196, 2009, pp [15] Delgadillo, J. A. Rajamani, R. K.: Exploration of hydocyclone designs using CFD, Int. J. of Mineral Process. Vol. 84, 2007, pp [16] Nageswararao, K. Wieseman, D. M. Napier-Munn, T. J.: Two empirical hydrocyclone models revisited, Minerals Engineering, Vol , pp [17] Wang, B. Yu, A. B.: Numerical study of the gas-liquid-solid flow in hydrocyclones, Chem. Eng. Journal, Vol. 135, 2008, pp [18] Bohnet, M.: Trennen nicht mischbarer Flüssigkeiten, Chem. Ing. Tech. Vol. 48, 1967, pp [19] Harms, G. Bohnet, M.: Trennen nicht mischbarer Flüssigkeiten in Hydrocyclon, Chem. Ing. Tech. Vol. 8, 1996, pp [20] Wesson, G. D. Petty, C. A.: Process Engineering of Produced Water Treatment, Proceedings of the Intern. Petroleum Enviromental Conf. Houston,Texas, 1994, pp [21] (2010. szeptember) [22] Sóvágó Gy.: Rézflotálás Rudabányán az 1970-es években, Bányászattörténeti közlemények, 1. évf. 1. (1.) sz., 2006, pp (epa.oszk.hu /01400/01466/00001/pdf/) [23] Fern, K. A.: The cyclone as a separating tool in mineral dressing, Chemical Engineering Research and Design, Vol. 30a, (1952), pp Ref.: Németh Jenő Verdes Sándor: Készülékfejlesztés a hidrociklonozásban. Építőanyag, 64. évf szám (2012), p. KÖNYVAJÁNLÓ Gálos Miklós Kürti István PAPP FERENC ÉLETE ÉS MUNKÁSSÁGA Papp Ferenc születésének 110. évfordulójára Gálos Miklós és Kürti István, volt tanítványai, az SZTE Kő és Kavics Szakosztályának tagjai, emlékkötetet állítottak össze Papp Ferenc élete és munkássága Feri bácsi a műegyetem legendás professzora címmel. Papp Ferenc, Feri bácsi ( ) szakmája odaadó, alkotó művelője, példás pedagógus szakmai közéleti vezető, nagy mecénás és mindenek felett nagyon jó ember volt. E könyv a Műegyetem neves professzorának tanítványai, munkatársai, tisztelői, munkásságát folytató hidrogeológusok, mérnökgeológusok, barlangkutatók már életében megbecsült Feri bácsijának állít emléket. Budapesten született, a budapesti Pázmány Péter Tudományegyetemen szerzett tanári képesítést és bölcsészdoktori tudományos fokozatot től haláláig a Műegyetemen oktatott és kutatott ban védte meg a Magyar Tudományos Akadémián kandidátusi értekezését tól az egyetem Ásvány- és Földtani Tanszék tanszékvezetője, években a Mérnöki Kar dékánja volt. Oktatói munkájában első helyen a természet szeretetére való nevelés állt. Rendszeresen vezetett geológiai kirándulásokat. Műszaki szemlélettel ismertette meg hallgatóival hazánk földtani érdekességeit. Szakirodalmi munkásságának legfontosabb részét a hidrológiával és mérnökgeológiával foglalkozó tanulmányok képezik. Műszaki földtan című könyve, melyet társszerzővel írt, máig az egyetlen mérnökgeológiával foglalkozó szakkönyvünk. Kiterjedt szakmai-közéleti tevékenységet folytatott. Több tudományos szakegyesületben viselt magas tisztségeket: a Magyarhoni Földtani Társulat titkára, majd főtitkára, a Mérnökgeológiai Szakcsoport alapító elnöke, a Magyar Hidrológiai Társaság alapító tagja, majd elnöke; a Magyar Karszt- és Barlangkutató Társulat elnöke, tiszteleti tagja, az SZTE Kő és Kavics Szakosztályának megalapítója volt. Az emlékkötet terjedelme több mint 150 oldal, részben színes képmellékletekkel. Ára: 3000 Ft. Megvásárolható a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék titkárságán (1111 Bp., Műegyetem rkp. 3., K. ép., I. em. 85.). 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 15

15 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY Bányaföldtani tapasztalatok a komlói andezitbányában KLESPITZ JÁNOS okl. geológus Érkezett: Received: Quarry-geological observations in the Komló andesite-pit This paper describes the mining geological conditions of andesite-pit southeast of Komló in the central part of Mecsek Mountain on the basis of observations of the material, settlement mechanism, quality and the sterile mass of andesite in exploitation. The author interprets the rock weathering and degradation processes of different extent due to subsurface erosion, and post-vulcanic exhalation and solution migration in the deeper zones, respectively. From factors affecting the mining the varying degrees of tectonic fragmentation (faults, joints), the rise caused by surface depression of coal undermining and the hydrogeological status of andesite-pit are discussed. KLESPITZ János (1934) okleveles geológus (1956). Munkahelyei: Jókai bánya, Alföldi Kőolajfúrási Üzem, AGROTERV, kutató ill. üzemi geológus ( ) től a Kő és Kavicsipari Egyesülésben földtani szolgálat vezető. Kiváló ifjú mérnök (1969).,,A földtani kutatás kiváló dolgozója (1976), a Magyar Népköztársaság által,,kiváló Munkáért kitüntetésben részesült (1985), az Eötvös Loránd Tudományegyetem Tanácsa által aranyoklevél adományozásában részesült (2007), a Szilikátipari Tudományos Egyesület örökös tagja. Publikációinak száma mintegy 50. A komlói andezitbánya a Mecsek hegység centrális részén, Komló város délkeleti előterében található (1. ábra). 1. ábra Vázlatos helyszínrajz és az andezit elterjedése a bányaüzem térségében. 1 spread of Mecsek Andesite Formation in the area of Komló andesite-pit 2 andesite-pit of Komló Fig. 1. Site plan and spread of andesite in the area of the pit. 1 spread of Mecsek Andesite Formation in the area of Komló andesite-pit 2 andesite-pit of Komló A bányaüzem a Mecsek hegység centrális részét alkotó Hármas bükk, Kövestető, Hármashegy mbf. magasságú vo nulatának északnyugat felé lejtő, immár alacsonyabb magassá gú területén a Somoskő Macskalik térségben helyezkedik el. A bányaterület felszínének tengerszintfeletti magassága mbf. északról dél, délkelet felé a Mecsek hegység gerincvonulata irányába mutat emelkedő tendenciát. A bányatelek legmagasabb pontja a nyugati területrészen emelkedő Somos-tető: 381,6 mbf. A komlói bányatelek felszíni morfológiájára az ÉNy DK-i lefutású fő, és az azokból kiágazó mellékvölgyek jellemzőek, melyek irányai megegyeznek a bányaművelés által feltárt tektonikai fő és melléktörésekkel. A zúzottkövet előállító bányaüzem haszonköve a kainozoikum, miocén kori helvéti emeletében képződött amfibolandezit, a jelenlegi földtani nomenklatúra alapján a Mecsek Andezit Formáció. A kitermelés alatt álló andezitet a Magyar Állami Földtani Intézet térképfelvételei, a korábbi kőszénkutató fúrások, a több fázisban kivitelezett kőipari földtani kutatások és a kőbányászati tevékenység alapján ismerjük. A kőszénkutató fúrások a kőszén fedőjében levő andezitet csak teljes szelvényű fúrási technológiával harántolták át. A kőipari ásványi nyersanyagkutatások esetében végig a terve zett vertikális szintig magfúrásokkal történt az andezit feltá rása. Az andezitről a legrészletesebb kőbányászati és bányaföldtani ismereteket a kőkitermelés nyitott bányafalai (2009. I. 1-jén mintegy 5500 m volt a bányafal összes hossza) szolgáltatták, illetve szolgáltatják. A művelés alatt álló bányafalak előrehaladásuk eredményeként szeletenként teszik tanulmányozhatóvá az amfibolandezit anyagát, minőségét, megjelenési módját és meddőviszonyait. 2. ábra Az új bánya dél felől Fig 2. The new pit from the south 18 építôanyag 2012/ évf szám

16 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA 3. ábra A komlói andezitbánya helyszínvázlata a földtani szelvény nyomvonalával. 1 a legfelső szint bányafalának kontúrja 2 kőszénkutató fúrás 3 andezitkutató fúrás 4 a földtani szelvény nyomvonala Fig. 3. Scheme of Komló andesite-pit with geological section track. 1 top level outline of the mine wall 2 coal prospect boring 3 andesite prospect boring 4 geological section track A komlói andezit előfordulás ÉNy DK irányú hosszanti és keresztirányú kiterjedése 3000, illetve m. Az andezit vastagsága a DK-i részen (a régi bánya térsége) eléri a 270 métert, északnyugat felé (az új bánya területe) kivékonyodik. Az új bánya területén a KA-12, KA-13 és a K-115 fúrás térségében a vulkanit vastagsága 160 m, a bányatelek É-i határánál már csak 40 m. Az andezit feltörési helye (a kürtő) a régi bánya területe alatt található. A többszintes andezitkitermelés eredményeként a régi bánya legmélyebb pontja 194 m, az új bánya mélyszintjének udvarszintje 284 mbf. Az andezit kitermelése immár dominálóan az új bányában folyatódik, melynek eredményeként az üzemterület vertikális kiterjedése fokozatosan bővül (2. ábra). A bányaművelési terület földtani felépítésében a kinozoikum, miocén kor helvéti emeletében képződött haszonkő, a Mecsek Andezit Formáció feküjeként dominálóan jura, liász szinémuri mészmárga, a déli részen agyagkő mutatkozik (3. és 4. ábra). Az andezit fölött előforduló közép-miocén agyagmárga, de a bányaterület nagyobb részén a nem jelentős vastagságú pleisztocén-holocén agyag, lejtőtörmelék és humuszos lejtőtörmelékes agyag képezi a letakarítandó fedő meddőt. A bányatelek jelentős részén feltöltés és a korábbi bányaművelésből származó meddő anyag (meddőhányók) is található a haszonkő felett. A komlói amfibolandezit eredeti állapotában (a későbbi elváltozásoktól még mentesen) sötétszürke, üde, tömött szövetű, kemény, kagylós törésű, kiváló minőségű kőzet. Fő ásványos alkotói a plogiaklász földpátok (albit, anortit), amfibol, piroxén. A vulkáni kőzetek rendszere alapján az andezit SiO 2 tartalma 57%, ami nem szabad kvarcként, hanem a szilikátásványok alkotórészeiként van jelen a kőzetben. Mikroszkóp alatt az andezit folyásos szövete is tapasztalható. A Budapesti Műszaki Egyetem, Mérnökgeológiai Tanszék Mikro-Deval aprózódás vizes eljárás vizsgálati eredmények alapján a komlói andezit AA általános csoportú. Az elvégzett laboratóriumi kőzetfizikai vizsgálatok alapján az amfibolandezit AA minőségű. A vulkanit térfogatsúlya 2,62 g/cm3, fajsúlya: 2,69 g/cm3, nyomószilárdsága a földtani kutatás vizsgálatai alapján: kp/cm2. 4. ábra A komlói andezitbánya ÉNy DK irányú földtani szelvénye 1 feltöltés 2 agyag, lejtőtörmelék, humusz. Pleisztocén, holocén 3 agyagmárga. Miocén, kárpátien 4 amfibolandezit (Mecsek Andezit Formáció). Miocén 5 mészmárga. Liász, szinemuri 6 agyagkő. Liáasz, szinemuri 7 a terület bányaművelés előtti felszíne 8 kutatófúrás Fig 4. NW-SE geological section of Komló andestie-pit 1 filling 2 clay, slope detrius, humus. Pleistocene, Holocene 3 clay marl. Miocene, kárpátien 4 amfibolandesite (Mecsek Andesite Formation). Miocene 5 lime marl. Lias, sinemuri 6 clay rock. Lias, sinemuri 7 surface of the area before mining 8 prospect boring 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 19

17 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY A komlói andezit réteges, pados, cserepes elvárású. Az andezit ezen megjelenési módjai, elválásai a láva lehűlésével járó térfogatcsökkenés eredménye. A kihűlési elválások merőlegesek a kihűlés irányára, melynek következtében az elválási síkok párhuzamosak a fekü vagy a korábbi lávaömlés már megszilárdult felületeivel. A bányaüzemben a réteges, cserepes elválású andezit a felső bányaművelési szinteken gyakoribb (5. ábra). Mélyebben, az andezittömeg alsó zónájában inkább a vastagpados kihűlési elválás dominál (6. ábra). mélyítése nem volt lehetséges. Helyette a KA-12/a fúrással folytattuk az andezit kutatását. A kihűlési elválások és a kőzetrések gyakorisága együttesen határozzák meg a letermelt kőzet tömbös vagy töredezett megjelenését. A tapasztalatok alapján a tömbösebb termék a mélyebb szinteken, a markáns törésektől távolabb fordul elő. A nagyobb törések és a kísérő vetők, kőzetrések együttes hatásaként a fő törések mentén meggyengül az andezit kohéziója, ezért ezen falszakaszokon az omlásveszély miatt a bánya művelésekor fokozott óvatossággal kell eljárni. Növeli a veszélyt, ha a törési síkok párhuzamosak a bányafallal, vagy ha a vetőlap dőlése a bányaudvar felé mutat (7. ábra). 5. ábra Réteges, cserepes elválású andezit az új bánya 327 mbf. szint, Ny-i bányafalán Fig. 5. Layered andesite at 327 meters above Baltic Sea level on the western mine wall of new mine 7. ábra A bányaudvar irányába lejtő törési sík az új bánya 306 mbf. szint, É-i bányafalán Fig. 7. Fracture plane sloping towards the mine yard at 306 meters above Baltic Sea level on the northern mine wall 6. ábra Pados elválású andezit az új bánya 306 mbf. szint, É-i bányafalán Fig. 6. Benching andesite at 306 meters above Baltic Sea level on the northern mine wall of new mine A bányaföldtani megfigyelések alapján esetenként a réteges, cserepes és pados elválás egy bányaművelési szint kőzetfalán egymás mellett is előfordul. Kőzetminőség tekintetében a vastagpados megjelenésű andezit a legkedvezőbb. Az andezit megjelenési módjának tekintetében alapvető tényezők a tektonikai mozgások hatására létrejött törések, kőzetrések. A bányaműveléssel feltárt fő törésirány az ÉNy DK-i és az erre közel merőleges az ÉK DNy-i irányú haránttörések. A komlói andezitben a tektonikai mozgások okozta töréseket kísérő kőzetrések változó mértékű töredezettséget idéztek elő. A bányafalakon a törésekkel megegyező irányú, közel függőleges kőzetrések gyakorisága területenként változó. Helyen ként 10, máshol 100 cm-ként mutatkoznak. A törésvonalak és nagyobb vetők közelében a kőzetréses töredezettség fokozottabb mértékű. Az andezitben lokálisan előforduló fokozott mértékű töredezettséget már a fúrásos ipari földtani kutatás folyamán is tapasztaltuk. A KA-12-es kutató magfúrás, a vulkanit erős töredezettsége miatt beomlott,,,elszerencsétlenedett és a további A markánsabb törések és kisebb vetők lehetőséget adtak az utóvulkáni gőzök, gázok feláramlásának és ennek következtében az andezit változó mértékű átalakulásának végső esetben elagya gosodásának. A lokálisan mutatkozó endogén elváltozások következményeként az andezit elbontódása változó mértékű, az enyhén vörös még hasznosítható típustól a barnásszürke elmállott, földes megjelenésű, meddőnek minősülő agyagos előfordulásig. A régi bánya 255 m-es bányaművelési szintjén a nyugati bányafalon függőleges törések kőzetrések mentén 1 2 m szélességben vörös oxiandezit mutatkozott. Ugyanitt a 300 és 252 m-es szint DNy-i részén a vörös és barna változóan bontott andezit tömzsös megjelenésű, ami a D-i irányba előrehaladó bányafal síkjában, hosszú ideig több 10 m horizontális és vertikális kiterjedésben képezett belső meddőt az andezitben. Az új bánya U5-ös szintjén (285 mbf.) kisebb törések és kőzetrések mentén áramló utóvulkáni oldatok az andezitben sárgásbarna elszíneződésű, változó mértékű elbontódást okoztak (8. ábra). Mivel a különböző mértékben elbontott kőzet a bányafal össztömegéhez viszonyítva jelentéktelen mértékű, a belső meddő a kitermelt bányatermék minősége vonatkozásában itt nem meghatározó tényező. Az andezit felső szintjére a felszín közelében m-ig a külső erők (erózió) változó hatást gyakoroltak. Korábban a régi bánya legfelső szintjéről (337 mbf.), az erős felszíni eredetű elbontódás miatt a kitermelt andezit jelentős részét a meddőhányóra kellett szállítani. 20 építôanyag 2012/ évf szám

18 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA 8. ábra Törések, kőzetrések mentén áramló oldatok hatására átalakult, elbomlott andezit az új bánya 285 mbf. szint, Ny-i bányafalán Fig. 8. Andesite transformed, decomposed under solutions flowing along faults and rock gaps at 285 meters above Baltic Sea level on the western mine wall A bányaföldtani megfigyelések alapján a töréses zónákban a fokozottabb mértékű beszivárgás következtében erősebb az erózió kőzetmállasztó hatása. Az új bánya legfelső szintjének (345 mbf.) délnyugati, hosszú ideig művelésileg szüneteltetett falánál feltárult törési zónában a töredezettség és a kőzetbontódás következtében erős kőpergés és kisebb-nagyobb mállott, agyagos andezittömbök leomlása is előfordult (9. ábra). 9. ábra Törési zónában mutatkozó erős kőpergés és omlás az új bánya 345 mbf. szint, Ny-i bányafalán Fig. 9. Strong rock whirling and sliding shown in fault zone at 345 meters above Baltic Sea level on the western mine wall Helyenként a felszínig húzódó andezithasadékokban a felszín ről lemosódó agyag, és andezittörmelékes agyag is növeli a felső szinti bányatermék meddő tartalmát. Az új bánya nyugati részén a felső szinti fal (348 mbf.) felszín közeli szakasza bontott vörös andezitet tárt fel. A szürke andezitben a vörös bontott kőzetzóna egyenetlen, hullámos felület mentén, helyenként 7 8 m-ig is lehúzódik a bányafalon. A kőbányászati tapasztalatok és a bányaföldtani megfigyelések alapján megállapítható, hogy a felső szint jelentős bontottsága ellenére az új bánya legfelsőbb szintjének kevésbé töredezett, az erózió által kisebb mértékben elbontott falszakaszain az andezit, zúzottkő előállítás tekintetében nem minősül mindenhol alkalmatlannak. A komlói andezitbányában a belső meddő okozta, termelés közben előálló veszteség legnagyobb az andezit felső, az erózió által erősen igénybevett részén, vagyis a legfelső szint művelésekor. A mélység irányába haladva ahol a kőzetminőség romlása az endogén erők következtében csak kisebb mértékű a veszteség javuló tendenciát mutat. Egyéb bányaművelést befolyásoló tényezőnek tekinthetők a régi bányánál szénbányászati aláfejtés következtében fellépő felszakadások. A bánya déli fala előtt, a kőbányával még nem művelt területen 1972-ben az egyik felszíni felszakadás hossza m, a nyílás szélessége 1 2 m, mélysége elérte a m-t. Az andezit fedőjét képező pleisztocén, holocén agyag, lej tőtörmelék és humuszos agyag vastagsága az új bányaterületen a kutatófúrások feltárásai és a bányászati tapasztalatok alapján 1 5 m. A morfológiailag mélyebb területrészeken a völgyekben az összemosódás miatt vastagabb fedő üledékkel és alatta az andezitban a fokozott mértékű csapadékbeszivárság miatt mélyebbre ható mállott zónával kell számolni. Vastagabb lefedendő üledék a régi és új bánya közötti területen mutatkozik, ahol a fedő kőzetanyagát a bányaeredetű feltöltés és miocén agyag márga képezi. Itt a miocén agyagmárga vastagsága a földtani szelvényben levő K-20-as fúrásban közel 25 m (4. ábra). Az andezit töréshálózatában a jelentős vízgyűjtőterületből is adódóan tetemes tömegű beszivárgó csapadékvizet tud tárolni. Tekintettel a régi bánya jelentős felszín alatti mélységére (4. ábra) a legalsó szinten a kő kitermelése csak víztelenítő szivattyú kapacitás üzemeltetése mellett lehetséges. Az 1981-es évben a kőipari földtani szolgálat által kivitelezett üzemi porfúrásos andezit-kutatás folyamán a régi bánya 255 mbf. udvarszintjéről mélyített fúrásokkal nyomás alatti vízszintet tártunk fel. A vízszint elérésekor a fúrásokból a víz rövid ideig szökőkútként tört a bányaudvar szintjére. Az andezit hasadékaiban a csapadék függvényében változó szintig feltöltődő, tárózódó víz a külszíni bányaműveléssel, annak mélyülése folyamán, fokozódó mértékben folyamatosan csapolódik. A komlói bányaüzem több évtizedes művelése eredményeként a miocén kori vulkanit maximálisan mintegy 165 m vastagságban nyert feltárást. Az andezitterületen rendelkezésre álló, zúzottkő előállítására alkalmas haszonkő még hosszú ideig biztosítani tudja a bányaüzem működését, ami lehetővé teszi a Mecsek Andezit Formáció földtani, illetve bányaföldtani felépítésének további, a kőbányászat számára is hasznosuló, folyamatos vizsgálatát és még részletesebb megismerését. Felhasznált irodalom [1] Badinszky P.: Az építő- és építőanyagipari ásványi nyersanyag kutatásainak iparági célkitűzései. Szilikáttechnika, [2] Klespitz J.: Bányageológiai megfigyelések az állami kőbányaipar andezitbányáiban. Építőanyag KLI. évf sz o. [3] Klespitz J.: A kőbányászati Egyesülés bányáinak fekü és belsőmeddő viszonyai. Szilikáttechnika, szám o. [4] Klespitz J.: Bányaföldtani tapasztalatok a kőbányaiparban. Földtani Kutatás XXV. évf sz o. [5] MÁFI: Magyarország földtani atlasza M= Magyar Állami Földtani Intézet [6] Némedi Varga Z.: A Mecsek hegységi andezit vulkánosság. Földtani Közlöny, o. [7] Vadász E.: Magyarország földtana. Akadémiai Kiadó, Budapest, [8] Vitális Gy.: Szilikátipari nyersanyagok. Szilikátipari-építőanyagipar. 3. ÉTK, Budapest, o. Ref.: Klespitz János: Bányaföldtani tapasztalatok a komlói andezitbányában. Építőanyag, 64. évf szám (2012), p. 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 21

19 ANYAGTECHNOLÓGIA MATERIALS TECHNOLOGY Szilikapor hatása a beton tûzállóságára CZOBOLY OLIVÉR BME czobolyoli@gmail.com HARMAN BÉLA BME hbela3@gmail.com LUBLÓY ÉVA BME lubeva@web.de BALÁZS L. GYÖRGY BME balazs@vbt.bme.hu NEHME SALEM GEORGES BME sgnehme@yahoo.com Érkezett: Received: Concrete with silica fume in fire In case of HPC the application of silica fume is often necessary. Behaviour of concrete with silica fume at high temperatures is different from that of conventional concrete. As a part of our study, experiments were carried out in order to observe the behaviour of concrete specimens exposed to fire. During the experiments both the residual compressive strength and residual flexural strength of the specimens were determined after being exposed to high temperature. Parameters of the experiment were the following: silica fume content (0 m c %, 3 m c %, 9 m c %), cement content (400 kg/m 3 ; 436 kg/m 3 ), water-cement ratio (w/c = 0,35; 0,36; 0,38), water-binder ratio (w/b = 0,35; 0,33; 0,30), maximum temperature (20 C; 50 C; 150 C; 300 C; 500 C; 1000 C). Results in case of constant w/c ratio and constant cement content: increasing the amount of silica fume is unfavourable for the relative residual compressive strength. The relative residual flexural strength also changes disadvantageously in case of lower temperature exposure ( C) and increased silica fume content. In case of higher temperature exposure (more than 150 C) addition of 3 m c % silica fume to the mixture proved to be advantageous. Results in case of constant water-binder ratio: if silica fume is added, while water-binder ratio is kept constant (mixtures M6 and M4) the relative residual compressive strength does not changes considerably but the relative residual flexural strength increases. In case of 9 m c % silica fume content lower w/c ratio increases the initial compressive strength, on the other hand decreases the relative residual compressive strength after elevated temperature exposure. If the silica fume content is 9 m c %, the relative residual flexural strength is not affected by the different w/c ratios. The experiments also proved that the addition of silica fume to a concrete mixture decreases the risk of spalling, consequently increases the fire resistance. Keywords: fire safety, silica fume, residual strength, HPC Kulcsszavak: tűzállóság, szilikapor, maradó szilárdság, nagy szilárdságú beton 1. Bevezetés A fokozódó mérnöki kihívásokkal a beton tulajdonságai is folyamatosan változnak. Az egyik fejlődési irányt a szilárdságnövelés jelenti. Ezt jól szemlélteti az is, hogy a nemrég hazánkban visszavont MSZ 4719:1982 szabványban szereplő legnagyobb nyomószilárdsági osztály a C55 (C55/67) volt, tehát a mai szokásos terminológia szerint az MSZ 4719:1982 szabványban nem esett szó nagyszilárdságú betonról. Az ezt felváltó MSZ EN 206-1:2002 szabvány szerint nagyszilárdságú betonnak nevezzük, a C55/67 C100/115 nyomószilárdsági osztályú közönséges betonokat, a HC55/67 HC100/115 nehézbetonokat, illetve az LC55/60 LC80/88 könnyűbetonokat. Egyes szakirodalmak szerint nagyszilárdságú betont C70/85 nyomószilárdsági osztály felett szilikapor nélkül készíteni általában nem lehet [1]. Az előző állítást igazolja Held ben megjelent publikációja [2] is, melyben ismertet 3 beton receptúrát, melyekről azt írja, hogy a nagyszilárdságú beton tipikus receptjei. Az általa közölt három receptúra mindegyike tartalmaz szilikaport (kovasavlisztet). Szerte a világban lehet találni olyan megépült szerkezeteket, ahol szilikaport alkalmaztak a betonhoz. Szilikaport használtak a Toronto városban (Kanadában) épült Scotia Plazánál (1. ábra), a chicagói South Wacker Drive 311 magasháznál, a Taipei 101 felhőkarcolónál (Tajvanban) (2. ábra) [4]. További CZOBOLY Olivér Attila (1988) építőmérnök hallgató (BME Építőmérnöki kar). TDK Építőanyagok és magasépítés szekció I helyezett, OTDK különdíj. Fő érdeklődési terület: Beton és fa tűzállóság, nagyszilárdságú betonok. A fib Magyar Tagozat és az ÉTE tagja. ÉTE-BME Hallgatói Szakosztály Építőmérnök Tagozat vezetője. HARMAN Béla András (1988) építőmérnök hallgató (BME Építőmérnöki kar). TDK Építőanyagok és magasépítés szekció I helyezett, OTDK különdíj. Fő érdeklődési terület: Beton és fa tűzállóság, nagyszilárdságú betonok. Dr. LUBLÓY Éva (1976) okl. építőmérnök (BME Építőmérnöki kar 2002), adjunktus a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszékén (2002). Fő érdeklődési területei: vasbetonszerkezetek viselkedése tűz hatására, tűzkárok mérnöki tanulságai. A fib Magyar Tagozat tagja. Dr. BALÁZS L. György Okl. építőmérnök, okl. matematikai szakmérnök, PhD, Dr, habil, egyetemi tanár, a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszék vezetője. Fő érdeklődési területei: beton, vasbeton és feszített szerkezetek (anyagai, laboratóriumi vizsgálata és modellezése), szálerősítésű betonok, nem acél anyagú betétek megerősítések anyagai és módjai, erőátadódás a betonban, vasbeton tartó repedezettségi állapota, vasbeton szerkezetek tartóssága. A fib Magyar Tagozat elnöke, A fib nemzetközi szervezetének elnöke ben. Dr. NEHME G. Salem (1963) okl. építőmérnök (1992) vasbetonépítési szakmérnök (1996) egyetemi docens a BME Építőanyagok és Mérnökgeológia Tanszéken. Fő érdeklődési területei: betontechnológia, beton porozitása, tömegbetonok vizsgálatai és problémainak szakértése, öntömörödő beton, szálerősítésű betonok, építőanyagok minőségellenőrzése, beton roncsolásmentes vizsgálata és minősítése, vasbeton szerkezetek szakértése, újrahasznosított adalékanyagokból készült beton. A fib Magyar Tagozat tagja. példaként említhető a szilikapor alkalmazására a 2004-ben átadott W-Comfort torony Tokióban, vagy a 2010-ben átadott Burj Dubaj (Dubaj torony). Kedvező tulajdonságai miatt a lőttbeton technológiánál is adagolnak szilikaport a betonhoz [6]. 2. Szilikaporról röviden A szilikapor fogalmát az Amerikai Beton Intézet (ACI) a következőképpen definiálja [7]: nagyon finom, amorf szilika, ami elemi szilicium, vagy szilicium tartalmú ötvözetek gyártásának melléktermékeként keletkezik, elektromos ívű kohóban. Tulajdonképpen a kvarc (SiO 2 ) és a szén (C) elektromos ívben történő reakciójakor jön létre a szilikapor. A betonba kevert szilikapor a többi alkotóval reakcióba lép. Egy másik tanulmány alapján [8]: A szilikapor szemcsék átgélesednek és könnyen behatolnak a pórusokba, és ott a cement hidratációja következtében keletkező kalcium-hidroxid oldattal [Ca(OH) 2 ], amely nem járul hozzá a beton szilárdságfejlődéséhez kalciumszilikát-hidrátot (CSH) képeznek, amely a beton tömörségét és szilárdságát jelentősen megnöveli [8]. 22 építôanyag 2012/ évf szám

20 MATERIALS TECHNOLOGY ANYAGTECHNOLÓGIA 1. ábra Scotia Pláza [3] Fig. 1. Scotia Plaza [3] 2. ábra Taipei 101 [5] Fig. 2. Taipei 101 [5] 3. ábra Gotthard alagút betonfelületének réteges leválása [10] Fig. 3. Gotthard tunnel was spalling in the fire [10] A szakirodalmi adatok szerint a nagyszilárdságú betonoknak rosszabb lehet a tűzállósága, mint a szokványos betonoknak [13]. Ezért fontosnak tartottuk, hogy foglalkozzunk a betonhoz adagolt szilikapor tartalom hatásával a tűzállóságára. A szilikapor betonhoz adagolt mind a friss beton, mind a megszilárdult beton tulajdonságait javítja. A friss betonban növeli a kohéziót a szilikapor, így kevésbé osztályozódik szét a beton, csökken a visszahullás veszélye a lőttbetonok esetén [7]. A szilikapor alkalmazása növeli a megszilárdult beton nyomószilárdságát, rugalmassági modulusát és a hajlító-húzószilárdságát. Így főként nagy terhelésű oszlopoknál (felhőkarcolók esetén), illetve hídgerendáknál érdemes szilikaport alkalmazni. Emellett a szilikapor tartalom növeli a beton tömörségét, melynek köszönhetően az ionok behatolásával szemben nagyobb lesz az ellenálló képessége a betonnak (szulfátállóságot és kloridállóságot javítja). A szilikapor reakciós folyamata miatt a keverékben a cement tömegére vonatkoztatva 0,11 m c % szilikaport lehet használni. A szilikaport be kell számítani kötőanyagként a receptúrába. A kötőanyagba való beszámítását egy k tényezővel kell kifejezni. Az MSZ :2004 szabvány szerint a k értéke CEM I cementfajtát tartalmazó betonoknál általános esetben a szilikaporra 2,0 [9]. 3. Tűzállóság jelentősége Az elmúlt évtizedekben számos épület- és alagúttűz történt. Ezek közül csak néhány nagyobb került be a köztudatba. Magyarországon 2000 és 2005 között évi átlagban nél is több tűzesetet regisztráltak. Ebből 6300-nál több a lakóingatlanokban bekövetkezett tűz [10]. Nem csak épületeket veszélyeztethet a tűz. A Gotthard alagútban október 24-én következett be tűz [11]. Az alagút tüzek mindig speciálisak, hisz ott viszonylag gyorsan, magas hőmérséklet alakul ki. Ezekben az esetekben gyakori tönkremeneteli mód a beton felület réteges leválása (3. ábra). Sok példát lehet említeni olajfúrótornyokon bekövetkezett kisebb-nagyobb tűzesetekre is áprilisában volt tűzeset a Mexikói-öbölben az egyik olajfúrótornyon (4. ábra). A tűz következtében elsüllyedt a fúrótorony, mely jelentős környezeti károkat okozott. 4. ábra Tűzeset a fúrótornyon [12] Fig. 4. Fire on an oil rig [12] 4. Kísérleti paraméterek Vizsgálataink célja a szilikapor tartalom tűzállóságra gyakorolt hatásának kísérleti meghatározása volt a nagyszilárdságú betonok hőterhelés utáni maradó szilárdságára (maradó nyomószilárdság és maradó hajlító-húzószilárdság). A maradó nyo mószilárdságot 50 mm átmérőjű és 100 mm magasságú hengereken, míg a maradó hajlító-húzószilárdságot mm nagyságú hasábokon vizsgáltuk. Hat féle beton keverék felhasználásával kapott kísérleti eredményeinket három csoportosítás szerint hasonlítottuk össze: Első esetben a szilikapor tartalom változásának hatását vizsgáltuk azonos víz-cement tényező esetén. (M1, M2 és M3 keverékek eredményeinek összevetése.) Második esetben a felhasznált szilikapor tartalmat és a felhasznált víz mennyiségét változtattuk azonos kötőanyag tartalom esetén. (M3, M4 és M6 keverékek eredményeinek összevetése.) Harmadik esetben azonos mennyiségű szilikaport, illetve cement tartalmat használtunk fel az összehasonlított keverékekben, miközben a víz mennyiségét változtattuk. (M2 és M5 keverékek eredményeinek összevetése.) A maximális hőterhelési értékek megválasztásakor figyelembe vettük a Baranya Megyei Katasztrófavédelmi Igazgatóság 64. évf szám 2012/1 2 építôanyag 23